绕水翼空化流场旋涡特性分析

　　液体流场中发生的空化现象是一种和旋涡运动有关的复杂非定常多相紊流流动[1]. Katz研究了分离区域的轴向剪切涡结构对空化的影响,指出旋涡空化首先发生在剪切层所在区域[2].王国玉等观察了剪切层区域的旋涡空化,指出流场中空化的产生与流动分离以及所伴随的剪切层区域的非定常旋涡运动有关[3].为进一步了解空化发生后伴随空化发展的涡量场的发展和变化,作者以Hydronautics超空化水翼为研究对象,采用数字式粒子图像测速技术(DPIV)测速系统并辅以高速摄像机,对近水翼流场的涡量分布进行了观测.

　　1　实验装置与实验方法

　　实验在一闭式空化水洞内进行.采用Tulin提出的一种特殊的易于产生超空化的翼型-Hydronau-tics[4]作为实验对象.通过2D-DPIV(平面粒子测速系统),利用流场中的空泡(小气泡或空化泡)作为示踪粒子来测量空化区域内外的流动结构[5].

　　2　实验结果与分析

　　2·1　不同阶段的空化形态

　　用高速摄像机采集了无空化状态及空化状态下4个不同阶段的流场图像,如图1所示,流动方向为由左至右.

　　由图1可以看出,当空化数σ=2·67时,流动处于无空化状态.这里,空化数定义为

　　式中p∞,u∞,ρ和pv分别为距离实验段上游入口210 mm处参考断面上的平均静压强、平均速度(速度剖面充分均匀)、水的密度和汽化压强.当σ=2·07时,水翼吸力面开始出现条缕状或片状的空泡团,称为片状空化;σ降到1·15时,水翼后部已经形成了大团的云状空化;当σ=0·44时,水翼吸力面已完全被覆盖,而且空化区的上下分界线继续向后延伸,形成超空化,但空穴尾部仍存在较大的波动.最后,当σ降至0·36时,超空化进一步发展,空化区域与主流区的上下边界分界线更为清晰,且空穴内部出现了大片暗色透明的汽化区.

　　2·2　涡量分布

　　图2给出了对应空化条件下的时均z向涡量分布图(灰色区域表示无激光射入).这里,z向涡量定义为

　　式中u,v分别为X方向和Y方向的速度分量.

　　图中,对应于自水翼前后缘开始剪切流所在位置,无论流场是否产生空化,均出现了两个高涡量聚集区———涡带,且上下涡带的涡量符号相反,而其它区域的涡量则很小.

　　随着空化数的降低,时均涡量的分布特性也发生了变化,表现为以下两个方面:

　　①涡量的峰值逐渐减小.在图3所示的涡量峰值分布图中,无空化流场的涡量值最大,也就是说,此时该区域流场的速度梯度最大.σ=2·07时的片状空化基本上对流场没有大的影响,而云状空化和超空化时涡量则有较大幅度的减小.这是因为当空化基本覆盖水翼吸力面后,空化区域内的水汽混合更为均匀,从而使其速度梯度变小.可以说,空化加速了近水翼流场的动量交换,使空化区域的速度变得均匀,且随着空化数的降低有增强的趋势.