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绕水翼云状空化流动结构的实验与数值研究
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绕水翼云状空化非定常脱落机理的研究
王国玉 张博
北京理工大学 机械与车辆工程学院，北京100081
摘要 结合数值计算和实验技术研究了云状空化的非定常脱落机理针对云状空化的产
[4][5]生机理做了大量的研究。Furness和Hutton提出反向射流是云状空化产生的因素;Kubota
[6]等人认为边界层的分离造成反向射流进入空穴，引起大规模空泡团的脱落，近来Laberteaux
[7][8]和Leroux等人也提到了反向射流是引起大量空泡脱落的主要因素;另外Avellan等人却认
为由于空穴表面波动引起云状空化。
由于云状空化现象包含有相变、非定常、多维湍流和可压缩等多种复杂流动现象，使用
数值模拟和实验方法均遇到了巨大的挑战，尤其是流动模型的确定方面还有许多问题需要研
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50679001) 高校博士学科点专项科研基金(20070007047)
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[9]究。近年来，许多学者研究空化现象时，采用了单流体流动模型。Kueny提出了正压状态
[10][11][12]方程求解密度场，Kunz等人添加源项来调节汽液两相间的传输，Singhal、Kubota使用Rayleigh-plesset方程求解空化流;另一方面，湍流模型的选取对预测空化流场是非常重要的[13][14-16]k,,k,,，现在应用较多的是求解两方程模型，如、等，而这些模型不能很好的模拟云状空化现象。
为了进一步了解云状空化流动的非定常特性及其机理，用高速录像的方法观测了云状空化阶段空泡的形态，应用数值的方法计算了绕水翼云状空化流场结构。计算中湍流模型采用
k,,了RNG模型，并且，为准确模拟云状空化区域的多相湍流流动，引入了一种与空化区域水汽相密度相关的系数，对湍流模型进行了修正，计算中考虑了湍动能对饱和蒸汽压的影响。基于计算和实验结果讨论了云状空化的脱落机理。
1实验装置和方法

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均为70mm，并由机械锁定装置固定于实验段，水翼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。
图1 实验段几何尺寸及水翼安放位置
Geometries of the test section
空化数、雷诺数、压力系数和升阻力系数的定义如下:
pp,,v, , () 12U,,2
UC, () Re,,t
PP,,C, () ,U,
Fy () ,,UC,
Fx () ,,UC,
,这里、、和分别为距实验段上游入口210mm处参考断面上的平均静压强、断PUP,,V
,面平均速度、水的密度和汽化压强，和是水翼所受到的阻力和升力，C是水翼弦长，FFtxy
是水的运动粘性系数。在本研究中，水翼的攻角设定为。，流速,,8U,5设定为10m/s，对应的雷诺数为7x10。

图2为高速流场显示系统的布置图。该系统由激光器、一台高速摄像机和一台用于显示
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??? ?????? 储存实时图像的计算机组成。其中激光片光源从下部射入，照亮位于水翼翼展中部断面，采集相关图像。高速摄像机型号为HG,LE，采用CMOS传感器为记录介质，最高采集频率可
5 达10fps (帧/秒)。
图2 高速流场显示系统布置图
Schematic diagram of the experimental setup
2 数学模型
基本方程
假定汽液两相为均相流动，相间无速度滑移，汽液两相的连续方程和动量方程如下所示:
,, () ()0u，,,,,t,
,1 () ,,,,,,uuuuuP()()[()][()]，,,,,,，,,，,，,，,,ttt,3
P,,,u式中的为混合密度，为混相介质的动力粘性系数，为速度，为压强，为湍t流粘性系数。
,,假设汽液两相流动为不可压流动，上式中的混合密度和动力粘性系数分别采用下面两式计算:
,,,,，,(1,,)vvlv ()
,,,,，,(1,,)vvlv ()
其中方程中下标、分别代表液相和汽相，表示水蒸汽含量。 ,vlv


假定汽相区域是由许多极小的气泡组