壁面处气泡在静止流场和高速水流中溃灭过程的计算仿真

　　气蚀是水力机械的主要破坏形式,当高速流体冲击水力机械系统时,在过流部件如船舶螺旋桨和水轮机叶片的局部表面不可避免地形成针孔以及鱼鳞坑等典型的气蚀与冲蚀破坏形貌[1].在工业生产中,由载荷和速度变化较大的滑动轴承表面而引起的润滑油空化溃灭也常发生气蚀而出现小凹坑[2].空化气蚀作为普遍存在的材料破坏形式之一长期为摩擦学领域广泛重视[3, 4].

　　气蚀产生的基本原理就是气泡的产生与溃灭.Popinet等[5, 6]采用数值模拟方法研究了气泡溃灭过程以及气泡间的相互作用.但是目前关于空泡溃灭的实验与仿真大多以气泡在静止流场中无壁面或近壁面状态为前提且均为定性分析,存在着局限性.本文作者拟采用Fluent软件的计算内核,通过数值模拟计算气泡在静止流场中近壁面、附壁面以及高速水流中附壁面3种状态下溃灭过程,讨论不同边界条件下溃灭时间、壁面承受的压力及其作用机制,为气蚀以及水轮机磨损问题的研究提供参考.

　　1　计算模型

　　气泡的运动充分考虑表面张力与黏度的影响，采用Rayleigh-Plesset动力学方程[1, 7]:

　　流体动力学计算采用牛顿流体运动基本方程[8, 9],连续性方程:

　　气液相变质量转变方程:

　　气液两相的动量方程:

　　绝热理想流体能量方程:

　　式中:ρ为密度;σ为气、液表面张力系数;.m为气泡内气、液相变的质量转化;a为流体中气泡的体积分量;v为速度;μ为黏度;c为定压比热;T为温度;R为气泡半径;p为压强,k为有效传导系数;下标v和l分别表示气泡和水.计算中不考虑与外界的热传导及重力,气泡中的气体为纯粹水蒸气,忽略不可凝结性气体.

　　由于分子引力的原因,纯水空化的临界压力可达绝对负压200 MPa以上[10],但在实际工业中,水中溶解的大量微小杂质加剧了内部分子缺陷,使得空化发生在较低的绝对正压下[1].本研究中水与气泡的计算参数采用20℃时的物理性质,其中临界空化压力为2 300 Pa,表面张力系数为0. 073 N/m.有研究[1, 11]定性认为,气蚀主要由壁面附近的不规则气泡溃灭冲击所致,所以本研究的仿真采用具有固定壁面的流场,作为1种典型的仿真模型,附于壁面的气泡采用半球形,壁面附近的气泡采用球形,气泡半径为0. 5 mm.为了加速气泡的溃灭过程而减少计算时间,将气泡外流场的压力设定为2MPa.模拟采用二维平面计算,考虑3种溃灭条件: (1)近壁面气泡距壁面0. 25 mm,初始静止流场; (2)附壁面气泡,初始静止流场; (3)附壁面气泡,流场中水流平均速度为30 m/s.

　　2　计算结果与分析