绕三维水翼非定常空化流动结构的数值与实验研究

    在高速水流中，水下绕流体表面压力低于当地饱和蒸汽压时，便会产生空化。根据空穴形态，空化可分为四类，随着空化数的降低，依次经历初生空化、片状空化、云状空化和超空化[1]。随着对空化进一步分析，研究者发现空化在发展过程中存在显著的非定常性，不同的发展阶段，空化形成与发展的机理也不一样。除了初生空化影响较小，超空化技术有利于减阻[2]之外，片状和云状空化，尤其是云状空化，伴随着空泡群的破灭和脱落，引起强烈的噪声、振动和空蚀,空穴的非定常动力特性会引起水力机械非稳定加载，造成叶片的疲劳破坏[3]，是人们在设计和使用水力机械时极力避免的现象。

    近年来，许多学者对片状和云状空化阶段进行研究。对于片状空化阶段，Arakeri[4]认为片状空穴是由于层流区的分离而形成。Katz[5]等人得到同样的结论，认为在分离区空泡增长较慢而形成片状空穴。张博等[6]认为片状空穴稳定的附着在翼型吸力面上，只在尾部有小的空泡团脱落，这是由于翼型吸力面上存在稳定的低压区，在空穴尾部气液混合区域存在较大逆压梯度，形成了空泡的旋涡运动。同时，人们对云状空化阶段也做了大量的研究，Furness 和 Hutton[7]通过观测空泡的变化过程并结合理论分析提出在云状空化阶段，反向射流是引起大量空泡团脱落的主要因素。张博等[8]人研究了绕水翼云状空化产生的机理，得到了反向射流是导致云状空泡团脱落的主要原因。

    但是以上有关片状和云状空化数值计算的工作大都是针对二维水翼进行的，因此对空化流动结构和流动机理都是基于二维流动进行分析的。实际工程的流动现象均是三维的，所以数值计算结果和际流动还有一定的偏差。Laberteaux和Ceccio[9]研究了扭曲翼型，发现翼型形状对空化结构和反向射流方向有很大影响，Kubota[10]在实验中发现了 U型 云 状 脱 落 ， 并 将 其 归 结 为 翼 型 边 壁 ， 而Kawanami[11]也观察到了这种实验现象，但是其形成机理至今尚未阐述清楚。

    为了研究片状和云状空化的流动机理，本文采用能较准确描述旋涡空化非定常特性的 Kubota 空化模型，利用商业软件二次开发技术，考虑了湍流脉动对饱和蒸汽压的影响，并引入了准确捕捉流动细节的 FBM 模型[12]，采用上述数值方法对三维水翼进行了数值模拟，并与实验结果进行了对比，分析了相关的流动机理。

    1 实验装置和方法

    1.1 实验装置

    实验在一闭式空化水洞进行，图 1 是实验段及水翼安装位置示意图，实验段尺寸为 70mm×190mm×700mm。实验采用了不锈钢制成的 Clark-y型水翼，其翼展和翼弦方向的长度分别为 68mm、70mm，并由机械锁定装置固定于实验段，可绕轴连续调整所需的攻角。实验时，通过其上下部及前侧面的透明有机玻璃窗，可观测水翼周围的流场形态。