射流控制水翼空化流動(dòng)的多工況適應(yīng)性研究

王 巍 安昭陽 唐 滔 張慶典 王曉放

(1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院， 大連 116024； 2.大連理工大學(xué)海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 大連 116024)

0 引言

空化是液體內(nèi)部局部壓力低于該溫度下水蒸氣飽和壓力時(shí)，發(fā)生在液體內(nèi)部或固液交界面的一種相變過程，空化現(xiàn)象廣泛存在于流體機(jī)械、水利機(jī)械、水中兵器和艦船上?？栈鲃?dòng)中空泡的脫落和潰滅會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、沖擊噪聲和空蝕，降低了機(jī)械性能和安全性[1]。

關(guān)于空泡脫落的機(jī)理，目前普遍認(rèn)為，逆壓梯度所產(chǎn)生的回射流導(dǎo)致了片空化脫落，形成云空化。文獻(xiàn)[2]利用高速攝像技術(shù)觀測(cè)到了回射流的存在。文獻(xiàn)[3]通過模擬和實(shí)驗(yàn)揭示了近壁面回射流導(dǎo)致了空化的失穩(wěn)。文獻(xiàn)[4]通過實(shí)驗(yàn)方法也觀測(cè)到回射流到達(dá)附著型空穴前緣，與主流相互作用導(dǎo)致了附著型空穴的脫落。文獻(xiàn)[5]通過對(duì)三維扭曲水翼的研究發(fā)現(xiàn)，形成于附著型空穴凸出部分的回射流造成了空穴的脫落。由于回射流會(huì)造成附著型空穴的脫落，所以阻擋回射流向前運(yùn)動(dòng)是抑制空化的主要方法之一。

根據(jù)有無外界能量的輸入，空化抑制方法分為被動(dòng)和主動(dòng)控制方法。被動(dòng)控制主要是在葉片表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到抑制空化的目的，例如布置障礙物[6-8]、凹槽[9-10]和渦流發(fā)生器[11-12]，進(jìn)行葉片改型[13]等；而主動(dòng)控制一般通過注入非凝結(jié)性氣體、聚合物和水來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[14]研究發(fā)現(xiàn)，在葉片前緣布置空氣射流孔，空氣可以起到氣墊的作用，改善了空化區(qū)域的壓力脈動(dòng)情況，達(dá)到降低空化危害的目的。文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn)，在頭部為錐狀的柱體表面注入空氣，以大流率注入時(shí)，柱體表面可以形成相對(duì)穩(wěn)定的連續(xù)性空腔，避免了空穴的脫落。文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)，在螺旋槳葉尖注入減阻聚合物可以有效抑制葉尖渦空化的發(fā)生。文獻(xiàn)[17]研究發(fā)現(xiàn)，在NACA66水翼表面注入聚合物，以小流率注入時(shí)，流場(chǎng)壓力系數(shù)提高，空化得到了較好的抑制；但是以大流率注入時(shí)，空化抑制效果變差。文獻(xiàn)[18]通過在NACA66(MOD)水翼表面布置射流水孔，研究了不同射流比下空化的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)射流水孔可以有效阻止片空化向云空化的轉(zhuǎn)變，提高了水翼的升阻比。文獻(xiàn)[19]研究發(fā)現(xiàn)，從水翼翼展方向的縫隙通道進(jìn)行射流，可以減小附著型空穴長(zhǎng)度以及近壁面的湍流波動(dòng)，對(duì)空化具有明顯的抑制效果。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，射流孔位置、流量等參數(shù)對(duì)空化抑制效果具有明顯的影響[20-21]。

空化抑制適應(yīng)性是指空化抑制方法在變工況條件下對(duì)空化抑制的有效性。本文借助實(shí)驗(yàn)方法研究?jī)煞N射流水翼在不同空化數(shù)下空化抑制的適應(yīng)性，通過分析射流孔位置和射流流量系數(shù)與空化抑制效果之間的變化規(guī)律，確定在不同空化數(shù)下的空化抑制方案，使之具有更好的普適性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與數(shù)據(jù)后處理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和模型

本實(shí)驗(yàn)依托于北京理工大學(xué)流體機(jī)械研究所閉式空化水洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，空化水洞示意圖如圖1所示?？栈磳?shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括貯水池、軸流泵、電機(jī)、真空泵、壓力控制器、實(shí)驗(yàn)測(cè)試段、壓力罐，實(shí)驗(yàn)測(cè)試段由收縮段、實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)散段組成，水洞實(shí)驗(yàn)段空間尺寸為長(zhǎng)700 mm、寬70 mm、高190 mm，水翼在實(shí)驗(yàn)段的安放位置如圖2(圖中C為水翼弦長(zhǎng))所示。

圖1 空化水洞示意圖Fig.1 Schematic of cavitation tunnel1.壓力罐 2.真空泵 3.壓力控制器 4.進(jìn)水管 5.貯水池 6.軸流泵 7.電機(jī) 8.地板 9.回水管 10.擴(kuò)散段 11.實(shí)驗(yàn)段 12.收縮段 13.蜂窩器 14.導(dǎo)流片 15.真空計(jì)

圖2 水翼安放位置示意圖Fig.2 Schematic of hydrofoil placement

實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力由電機(jī)和軸流泵聯(lián)合提供，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/s，額定功率為55 kW，電機(jī)通過一臺(tái)交流變頻器調(diào)節(jié)空化水洞中水流速，精度可達(dá)0.01 Hz。水洞實(shí)驗(yàn)段最大水流流速可達(dá)到20 m/s。水洞的穩(wěn)定流速為4.68～12.78 m/s，穩(wěn)定性系數(shù)為0.71%～12.83%。軸流泵布置于實(shí)驗(yàn)段下方5 m處，以提高軸流泵的抗空蝕性能。測(cè)試段上游布置有穩(wěn)流除氣罐，可以有效降低水中的游離型空泡，實(shí)驗(yàn)段下游安裝有直角導(dǎo)流片和蜂窩器來減小水流的湍流度。真空泵通過導(dǎo)管與除氣罐上方的密閉空腔連接來控制空化水洞系統(tǒng)中的真空度，控制范圍是0～0.095 MPa，控制精度等級(jí)為5%。

本實(shí)驗(yàn)采用的原始實(shí)驗(yàn)水翼模型為NACA66(MOD)水翼，水翼弦長(zhǎng)C=70 mm，展長(zhǎng)L=67 mm，材質(zhì)為不銹鋼，表面粗糙度為3.2，厚度比為12%。在此水翼的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型，在水翼吸力面布置射流水孔，如圖3所示。兩種不同改型水翼的射流水孔與水翼前緣距離分別為X1=0.19C，X2=0.45C，射流孔數(shù)目為25，射流孔直徑為1.4 mm，相鄰射流孔圓心之間距離為2.35 mm。

圖3 帶射流孔水翼模型圖Fig.3 Hydrofoil model with jet holes

1.2 數(shù)據(jù)采集和高速全流場(chǎng)系統(tǒng)

非定?？栈l(fā)生在較短的時(shí)間內(nèi)，同時(shí)存在氣液相的相互傳遞過程，空泡的形態(tài)隨時(shí)間在不斷的發(fā)生變化。高速全流場(chǎng)攝像技術(shù)可以捕捉到空化流場(chǎng)的瞬態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)非定?？栈螒B(tài)在時(shí)間和空間上的定性及定量研究。

本實(shí)驗(yàn)所采用的高速全流場(chǎng)系統(tǒng)如圖4所示，主要由1臺(tái)用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)圖像的計(jì)算機(jī)、2臺(tái)功率為1 kW提供光源的鏑燈以及記錄空化形態(tài)變化的高速攝像機(jī)組成。流場(chǎng)形態(tài)記錄采用的高速攝像機(jī)由美國(guó)柯達(dá)公司生產(chǎn)，型號(hào)為HG-LE。該攝像機(jī)采用CMOS傳感器，具有靈敏度高、曝光時(shí)間短、能耗較低和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)拍攝頻率為5 000幀/s。

圖4 高速全流場(chǎng)系統(tǒng)Fig.4 High-speed flow field display system1.空化水洞 2.高速攝像機(jī) 3.光源

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論中，采用空化數(shù)σ、斯特勞哈爾數(shù)St、雷諾數(shù)Re來進(jìn)行相關(guān)的定量描述，具體定義為

(1)

(2)

(3)

式中p0——距水翼安裝位置0.21 m處參考截面的靜壓力

pv——距水翼安裝位置0.21 m處參考截面的飽和蒸汽壓力

ρ——空化流場(chǎng)中的液相密度

U∞——實(shí)驗(yàn)水洞測(cè)試段的主流流速

v——液相的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)

f——空穴脫落頻率

為了研究主動(dòng)射流對(duì)空化流動(dòng)特性的影響規(guī)律，定義射流流量系數(shù)CQ來定量評(píng)價(jià)主動(dòng)射流流量的大小，用η表示空化抑制有效性參數(shù)，其數(shù)值越大，說明空化抑制效果越好。

(4)

(5)

式中Qinj——通過射流孔的液體流量

Q∞——通過實(shí)驗(yàn)段的主流流量

h——NACA66(MOD)水翼中截面的厚度，即當(dāng)水翼以一定的攻角安置時(shí)，翼型投影到y(tǒng)軸上的最大厚度

S0——實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口截面面積

a——水翼中截面展長(zhǎng)

水翼吸力面空化形態(tài)的演變會(huì)受到水翼表面粗糙度、水翼安裝攻角、實(shí)驗(yàn)段靜壓、主流體流速、空化數(shù)、水體溫度等多個(gè)因素的影響[22]。本次實(shí)驗(yàn)水翼攻角為8°，流速U∞設(shè)定為7.832 m/s，對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為5.1×105，通過調(diào)節(jié)水洞的真空度來調(diào)節(jié)空化數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)空化水洞中軸流水泵轉(zhuǎn)速的變頻器的儀表精度為0.1 Hz，空化水洞中來流壓力測(cè)量精度為0.1 kPa。具體參數(shù)的測(cè)量誤差分別為：來流壓力Δp0控制在±0.7 kPa之間；飽和蒸汽壓力Δpv控制在±0.192 kPa之間；來流速度ΔU0控制在±0.104 m/s之間。最終，實(shí)驗(yàn)條件下空化數(shù)的誤差約為6%。

1.3 圖像后處理

為了能準(zhǔn)確描述空化形態(tài)隨時(shí)間的變化，需要對(duì)空化流場(chǎng)的圖像進(jìn)行后處理。如圖5所示，全流場(chǎng)圖像中空化區(qū)域含氣量不同會(huì)使圖像亮度有所差異，通過刪減像素點(diǎn)的方法可以去除圖像中水翼和背景的干擾，只保留空化的瞬時(shí)形態(tài)，最后將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，能夠更加清晰地得到附著型空化的空間特征。以一個(gè)周期內(nèi)無量綱附著型空穴最大長(zhǎng)度Lmax/C作為空化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中Lmax為空泡前緣距空泡尾緣的長(zhǎng)度。空化是一種典型的非定?，F(xiàn)象，不同工況下空化的時(shí)空變化不同，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)空化圖像進(jìn)行二值化處理后統(tǒng)計(jì)像素點(diǎn)，可以得到空化面積隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖5 圖像處理方法Fig.5 Image processing method

2 射流抑制空化的適應(yīng)性

基于高速全流場(chǎng)可視化測(cè)試技術(shù)，針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退?、不同空化?shù)、不同射流流量以及不同射流位置，開展了水翼表面空化形態(tài)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，獲得了水翼表面無量綱附著型空穴最大長(zhǎng)度隨射流流量系數(shù)變化規(guī)律，定量分析了射流對(duì)空化抑制效果的影響。

2.1 射流流量對(duì)空化抑制效果的影響

以空化數(shù)σ=0.99為例，說明射流流量系數(shù)對(duì)繞流水翼空化流動(dòng)控制的影響。在主流繞原始水翼的空化流動(dòng)中，在水翼吸力面呈現(xiàn)云狀空化，空穴尾部最大延伸到了水翼的尾緣，如圖6a所示。而對(duì)于射流水翼，當(dāng)射流距水翼前緣0.19C位置(簡(jiǎn)稱為H1模型水翼)時(shí)，水翼表面附著型空穴最大長(zhǎng)度相比于原始水翼明顯減短，并隨著射流流量系數(shù)的增加而有不同程度的降低，如圖6b～6f顯示的空化抑制過程。

圖6 繞原始水翼和不同射流流量下射流水翼空化流動(dòng)的空穴長(zhǎng)度對(duì)比Fig.6 Cavity length comparison of jet hydrofoil under different jet flows and original hydrofoil

表1 H1水翼射流對(duì)空化流動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Tab.1 Analysis of experimental results of cavitation flow control of H1 hydrofoil by jet

當(dāng)射流距水翼前緣0.45C位置(簡(jiǎn)稱H2模型水翼)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)條件下，隨著射流流量系數(shù)的增加，繞水翼流動(dòng)的附著型空穴最大長(zhǎng)度和斯特勞哈爾數(shù)變化如表2所示。當(dāng)射流流量系數(shù)CQ=0.022 0時(shí)，盡管實(shí)驗(yàn)測(cè)得的斯特勞哈爾數(shù)最低，St=0.109 5，相應(yīng)地，空穴脫落頻率最低，但其空化抑制效果η=0.242 0，相對(duì)較低。而當(dāng)射流流量系數(shù)CQ=0.023 3時(shí)，雖然實(shí)驗(yàn)測(cè)得的斯特勞哈爾數(shù)相比于原始水翼增加了6.2%，意味著空穴脫落頻率有所增加，但其空化抑制效果是最好的，η達(dá)到0.406 0。因此，雖然射流可以抑制空化的發(fā)展，但射流也增加了繞流水翼的流場(chǎng)擾動(dòng)。因此，要綜合評(píng)價(jià)射流對(duì)于空化流動(dòng)的控制效果，也要設(shè)計(jì)合適的射流控制參數(shù)。

表2 H2水翼射流對(duì)空化流動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Tab.2 Analysis of experimental results of cavitation flow control of H2 hydrofoil by jet

在相同工況下，對(duì)比分析表1和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使在射流流量系數(shù)相同的時(shí)候，不同的射流位置也將帶來不同的空化流動(dòng)控制效果和脫落頻率。

圖7為針對(duì)不同水翼模型，即不同的射流位置，針對(duì)不同空化條件下，水翼表面附著型空穴最大長(zhǎng)度隨射流流量系數(shù)的變化規(guī)律，其中“√”標(biāo)記了對(duì)應(yīng)工況下的最佳射流流量系數(shù)，虛線為相對(duì)應(yīng)的4個(gè)空化數(shù)下原始水翼的空穴最大長(zhǎng)度?？梢钥闯?，無論是片狀空化狀態(tài)(σ=1.44)、云狀空化狀態(tài)(σ=0.99和σ=0.83)，還是片空化向云空化的過渡狀態(tài)(σ=1.28)，主動(dòng)射流都能夠有效縮短空穴長(zhǎng)度；且在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的所有工況范圍內(nèi)，空穴最大長(zhǎng)度隨射流流量系數(shù)的變化而變化，總是存在一個(gè)最佳的射流流量系數(shù)，使得空穴長(zhǎng)度最短，空化抑制效果最優(yōu)。此外，在相同的空化數(shù)下，不同模型的最佳射流流量系數(shù)近似相同，但空化抑制效果并不相同，這主要與射流位置密切相關(guān)。

圖7 附著型空穴最大長(zhǎng)度隨射流流量系數(shù)的變化Fig.7 Variation of maximum cavity length with jet flow coefficient

圖8 射流孔位置對(duì)空化抑制效果的對(duì)比分析Fig.8 Comparative analysis of the effect of jet hole position on cavitation suppression

表3 水翼在不同空化數(shù)下最佳射流流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of optimal jet flow coefficient of hydrofoil under different cavitation numbers

2.2 射流位置對(duì)空化抑制效果的影響

水翼吸力面射流位置是主動(dòng)射流抑制空化的另一個(gè)重要控制參數(shù)。在水翼表面距水翼前緣不同位置注入射流，不僅會(huì)影響空化流場(chǎng)的流態(tài)和壓力分布，還會(huì)引起空穴振蕩和脫落頻率的變化，此外水翼的升力和阻力也會(huì)有所下降。研究表明，在云空化條件下，在水翼吸力面山頂位置(對(duì)應(yīng)水翼安裝攻角的吸力面最高點(diǎn))布置射流水孔，抑制空化的同時(shí)還能較好地保持水動(dòng)力性能[23]。

圖8給出了當(dāng)射流流量系數(shù)均為5個(gè)流量系數(shù)下的最佳值時(shí)，實(shí)驗(yàn)水翼模型H1和H2表面射流控制空化流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。無論射流位置在X1=0.19C還是在X2=0.45C，與原始水翼相比，空化發(fā)展明顯改善。結(jié)合空穴形態(tài)和空穴長(zhǎng)度，可以進(jìn)一步得出關(guān)鍵結(jié)論。對(duì)于片空化階段(σ≥1.41)，H2模型表面射流空化抑制效果優(yōu)于H1模型；而對(duì)于過渡工況(1.28≤σ<1.41)和云空化階段(σ<1.28)，H1模型表面射流空化抑制效果優(yōu)于H2模型。這一結(jié)論也可以從表3中看出。

圖9 最佳射流流量對(duì)應(yīng)的空穴面積隨時(shí)間的變化Fig.9 Schematic of cavity area corresponding to optimal jet flow over time

3 不同空化數(shù)下空化流動(dòng)控制的適應(yīng)性分析

圖10 最佳射流流量系數(shù)隨空化數(shù)σ的變化Fig.10 Change of optimal jet flow coefficient with cavitation number σ

圖11 最佳射流流量系數(shù)下空化抑制效果ηopt的變化Fig.11 Changes of cavitation suppression effect ηopt with optimal jet flow coefficient

表4給出了H1模型在給定射流流量系數(shù)下空化抑制的量化分析結(jié)果，括號(hào)內(nèi)數(shù)值是不同射流流量下空化抑制效果與相同空化條件所對(duì)應(yīng)的最佳抑制效果的偏差。在σ=0.99時(shí)，盡管H1模型最佳射流流量系數(shù)為0.027 6，但與0.023 3流量系數(shù)下結(jié)果對(duì)比，空化抑制有效性參數(shù)僅提高0.041，而空穴脫落頻率幾乎相同，可以認(rèn)為兩者在實(shí)現(xiàn)空化流動(dòng)控制的效果上近似相同，因此，提出給定射流流量系數(shù)來研究在不同空化狀態(tài)下，射流抑制空化的普適規(guī)律。當(dāng)給定射流流量系數(shù)為0.024 5時(shí)，不同空化數(shù)對(duì)應(yīng)的空化抑制效果較為穩(wěn)定，且相比于最佳抑制效果，偏差較小，均在0.06以內(nèi)。而采用其他射流流量時(shí)，空化抑制穩(wěn)定性較差，與最佳空化抑制有效性參數(shù)的最大偏差均超過0.16。

表4 H1模型給定射流流量系數(shù)下空化抑制效果ηoptTab.4 Cavitation suppression effect ηopt with given jet flow coefficient in H1 model

因此，與頻繁地改變射流流量進(jìn)行調(diào)節(jié)相比，給定射流流量，可以簡(jiǎn)化射流復(fù)雜的控制調(diào)節(jié)過程，同樣能夠減弱空化流動(dòng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多工況下對(duì)于空化流動(dòng)的控制。

4 結(jié)論

(1)主動(dòng)射流對(duì)片空化和云空化均有明顯抑制效果，射流流量不同，空化抑制效果不同，存在最佳射流流量。因此，可以通過射流流量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)空化流場(chǎng)的主動(dòng)控制。

(2)射流位置不同，對(duì)云空化和片空化的流動(dòng)控制效果不同。在云空化階段，在距水翼前緣0.19C位置布置射流的H1模型可以收到較優(yōu)的空化抑制效果。而在片空化階段，H2模型水翼空化抑制效果更優(yōu)。

(3)在所研究的空化數(shù)范圍內(nèi)(0.83≤σ≤1.46)，H1模型具有良好的工況適應(yīng)性，且當(dāng)保持射流流量系數(shù)為0.024 5時(shí)，在簡(jiǎn)化流動(dòng)控制過程的情況下，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)空化流動(dòng)的主動(dòng)控制，取得良好的空化抑制效果。