水下航行體壁面多孔排氣泡狀流動特性實驗研究

魏海鵬，張 晶，張瑞明，劉元清，劉濤濤，呂亞飛

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

0 引 言

通過改變水下航行體近壁面流動狀態(tài)以獲得預期的力學效應，是一種從水動力源頭提高航行體性能的先進技術手段。近年來，利用近壁面多孔排氣調(diào)節(jié)航行體表面流動狀態(tài)的新技術愈發(fā)受到工程技術人員的重視[1]。由于水下航行體近壁面多孔排氣射流與主流場相互作用復雜，關于近壁面多孔排氣兩相流的相關研究成果較少，已有研究主要聚焦在典型橫流環(huán)境中的射流流動問題（JICF）和水下航行體大尺度空泡多相流演化及流體動力研究。Kamotani等[2]詳細描述了孔口下游流場結(jié)構(gòu)特征，首次提出反旋轉(zhuǎn)渦對（CVP）的概念并指出該渦對是構(gòu)成下游流場的主要結(jié)構(gòu)。Fraticelil 等[3]、Margason[4]、Fric 等[5]對射流中涉及的復雜流場結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)梳理和完善，指出流場中主要包含反向渦對、馬蹄渦及尾跡渦等三種渦系結(jié)構(gòu)，射流表面的環(huán)狀剪切層渦與反向渦對共同決定了流場的主要特征，射流中出現(xiàn)的大尺度擬序結(jié)構(gòu)在湍流形成、卷吸和摻混過程中起主導作用。在氣液兩相流的流場結(jié)構(gòu)及流動特性實驗研究方面，付細能等[6]結(jié)合PIV 系統(tǒng)與高速全流場顯示技術，觀測了平板表面通氣流場的結(jié)構(gòu)和流動特性，實驗中通過改變通氣量和流速分析了通氣率和雷諾數(shù)對氣液兩相流的影響。張宇文等[7]、袁緒龍等[8]開展了航行體通氣空泡流的實驗研究，分析了通氣空泡的結(jié)構(gòu)形態(tài)、非對稱性、穩(wěn)定性、重力效應及航行體頭型對通氣空泡的影響。本文采用近壁面氣液兩相流全流場顯示技術結(jié)合多相流PIV 技術，對近壁面多孔排氣泡狀流進行實驗研究，分析流動參數(shù)和主流的加減速狀態(tài)對泡狀流摻混融合特性的影響。

1 近壁面氣液兩相流全流場顯示技術

1.1 水洞及近壁面通氣系統(tǒng)

實驗研究基于高速水洞開展，圖1為該水洞示意圖，水洞主要由進水管、收縮段、實驗段、擴散段、彎管段和回水管六部分組成，其中實驗段尺寸為700 mm×70 mm×190 mm。表1 給出了該水洞穩(wěn)定運行時的基本性能參數(shù)，其中最大流速可達到20 m/s，空化數(shù)最小為0.30，湍流強度分布均勻。

圖1 水洞示意圖Fig.1 Schematic diagram of water tunnel

表1 水洞基本性能Tab.1 Basic performance of water tunnel

實驗平板模型表面排出的氣體由圖2所示的近壁面通氣系統(tǒng)穩(wěn)定供給，系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、壓力控制閥、氣體穩(wěn)壓儲存罐、流量計及管路組成，且通氣壓力和通氣量均可調(diào)控，其中壓力調(diào)節(jié)范圍為0～1 MPa，通氣量調(diào)節(jié)范圍為0～1500 L/h（標準狀態(tài)）。實驗時空氣壓縮機將壓縮氣體通過管道輸送到穩(wěn)壓系統(tǒng)的儲存罐中，該系統(tǒng)中的控制元件可以確保壓縮氣體按照設定流量通入到實驗段模型中，實驗段背側(cè)裝有單向閥門防止水倒流入穩(wěn)壓系統(tǒng)。

圖2 近壁面通氣系統(tǒng)Fig.2 Near-wall ventilation system

1.2 實驗模型及主流狀態(tài)設計

實驗所用多孔平板模型及底座實物如圖3（a）所示，平板為實驗研究工作段面，長300 mm，寬68 mm，平板前端沿直線均勻開設直徑（d）為2.6 mm 的圓形通氣孔，孔中心距平板前邊緣60 mm，孔間距為2d，平板安裝在底座中段，底座前后端分別設有圓弧導流段以防止來流速度的突變而干擾流動。平板背部有用于儲存氣體的儲氣室，穩(wěn)壓系統(tǒng)供給的氣體流入儲氣室再分別從各排氣孔流出，以實現(xiàn)各排氣孔的均勻出流。為減小重力對氣泡發(fā)展的影響，將底座通過螺栓固定在實驗段的頂部，如圖3（b）所示，自平板出流的氣體將在重力作用下保持貼壁發(fā)展，同時利用高速攝像機從實驗段底部拍攝得到泡狀流的全流場圖像。

圖3 平板及底座模型Fig.3 Models of the plate and base

依據(jù)實驗條件，精確控制來流速度隨時間加減速存在一定困難，因此實驗中設計了多種加速度底座模型，通過改變來流過流斷面的面積大小，實現(xiàn)主流在空間上勻速、加速和減速。如圖4所示，實驗中只需更換相應模型底座，就能實現(xiàn)加速度狀態(tài)的改變，其中加速模型平板安裝段與水平面的夾角為-3°，減速模型平板為1°，根據(jù)連續(xù)性方程及勻變速運動方程可求得對應的加速度量值分別為：正加速度a=20.4 m/s2和負加速度a=-3.68 m/s2。

圖4 不同加速度底座模型Fig.4 Different acceleration base models

1.3 高速攝像及圖像處理系統(tǒng)

圖5為實驗所用高速攝像系統(tǒng)，主要由作為光源的鏑燈（功率均為1 kW）、用來記錄瞬時流場圖像的高速像機以及實時顯示存儲圖像的PC組成。其中高速像機的記錄速度最高可達100，000幀/秒，可滿足多相流動實驗研究的需要。

圖5 高速攝像系統(tǒng)Fig.5 High-speed camera system

為了從高速相機拍攝的全流場圖像中準確提取泡狀流輪廓進而獲取氣泡面積，圖6 給出了研究中開發(fā)的泡狀流流場圖像處理系統(tǒng)的流程圖。針對水下近壁面多孔排氣泡狀流圖像的特點，實現(xiàn)了連續(xù)圖像幀的預處理降噪及圖像分析的批處理。圖7給出了應用該系統(tǒng)提取出的泡狀流輪廓識別效果圖。該系統(tǒng)可以清晰準確地提取出泡狀流的外輪廓，用于獲取各時刻氣泡所占總面積。

圖6 流場圖像處理系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow chart of flow image processing system

圖7 泡狀流輪廓提取Fig.7 Extraction of bubbly flow profile

1.4 近壁面氣液兩相流PIV系統(tǒng)

圖8為近壁面氣液兩相流PIV系統(tǒng)示意圖及設備實物，其基本組成包括相機、激光器、激光脈沖同步器、光路系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等?？紤]到多孔泡狀流動具有顯著的非定常特性，配合連續(xù)激光（波長為523 nm），用激光器轉(zhuǎn)換出的片光源照亮流場中的粒子，通過合理調(diào)整相機光圈以清晰記錄圖像?；谡粓D像變換和標準互相關運算獲得瞬態(tài)速度矢量場，進而通過后處理軟件得到氣液兩相流速度場與渦量場等流場信息。針對近壁面強反光、氣泡界面光線折射的問題，研究中采用表面熒光鍍膜技術及氣泡界面圖像修正方法，利用反射光波長的差異和激光折射規(guī)律有效避免對流場中示蹤粒子的圖像造成干擾。對于示蹤粒子的選擇，除了在流場中布撒空心玻璃珠外，同時將霧狀示蹤粒子隨同射流氣體一起通入流場中，從而實現(xiàn)多孔泡狀流內(nèi)外流場結(jié)構(gòu)的精細化測量。

圖8 近壁面兩相流場結(jié)構(gòu)PIV系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of PIV of two-phase flow structure near the wall

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 多孔排氣泡狀流特征流型分類

水下近壁面排氣泡狀流的特征流型與流動參數(shù)、通氣狀態(tài)密切相關。圖9 展示了不同流型的兩相流場結(jié)構(gòu)圖像，各流型的氣泡輪廓擴張角明顯不同。當通氣率較小時，氣體自孔口出流后逐漸斷裂成離散的、短小的單一細泡，持續(xù)向下游漂移，表現(xiàn)為典型的細泡狀流型。隨著通氣率的增大，流束逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧殫l狀、連續(xù)透明狀、透明泡狀，且氣泡輪廓擴張角也逐漸增大。當液相主流速度較大時，通入的氣體將在液相壓力及沖擊作用下呈現(xiàn)為泡沫狀，在通氣率較大時則表現(xiàn)為連續(xù)泡沫狀流型。

圖9 近壁面泡狀流特征流型Fig.9 Characteristic flow pattern of near-wall bubbly flow

水下近壁面多孔泡狀流動形成的排氣流場結(jié)構(gòu)以“離散氣泡橫向擴散、界面間距減小并逐漸形成融合氣泡覆蓋壁面”的演化過程為主要特征，可根據(jù)氣泡膨脹程度、氣泡輪廓擴張角及相鄰流束間距等特征將上述六種流型分為三類流態(tài)。如圖10（a）所示，氣體自排氣孔出流后，在液相壓力、摩擦力及重力作用下，互不干擾地貼附在壁面，向下游彎曲呈離散“辮狀流”發(fā)展，氣泡逐漸膨脹向周向運動，但其膨脹程度較小，氣泡輪廓擴張角較小，流束間距較大，由離散的多個短小氣泡組成，其中包括細泡狀、細條狀、及泡沫狀流型，表現(xiàn)為典型的未融合流態(tài)；如圖10（b）所示，在一定的流動參數(shù)作用下，呈連續(xù)透明狀的離散“辮狀流束”的氣泡寬度沿橫向明顯增大，氣泡邊緣開始發(fā)生接觸但仍未形成融合，平板尾部開始出現(xiàn)部分氣泡的摻混，表現(xiàn)為臨界融合流態(tài)；如圖10（c）所示，當通氣率較大、歐拉數(shù)較小時，氣泡的膨脹程度較大并發(fā)生相互作用形成摻混的片狀連續(xù)氣層，水氣界面發(fā)生劇烈波動呈不規(guī)則形狀，流束間的區(qū)域被氣泡覆蓋，透明泡狀和連續(xù)泡沫狀流型均表現(xiàn)為融合流態(tài)。

圖10 多孔泡狀流態(tài)分類Fig.10 Flow regime classification of porous bubbly flow

為了研究多孔排氣泡狀流氣泡內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，分析通入氣體與主流的相互作用關系，采用PIV 技術對瞬時速度矢量場進行測量并通過后處理獲取渦量場分布。圖11為典型流型的PIV流場粒子圖像及其對應的時均渦量分布圖，其中渦量場具體截面位于通氣平板對稱軸處。由圖可知隨著通氣率的增大，氣泡流型由細條狀轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)透明狀，渦量場可以分為兩個區(qū)域：一為主流區(qū)，氣泡對其渦量影響較小，渦量分布較為均勻；二為近壁區(qū)，被大量的氣泡附著。由于氣泡尾部快速向其內(nèi)部收縮造成自身逆時針旋轉(zhuǎn)，進而形成正向渦量。隨著通氣率的增大，氣液界面脈動增強，速度梯度變大，氣體射流與液相橫流相互作用形成復雜旋渦結(jié)構(gòu)并伴隨有渦量交換。

圖11 PIV圖像及其渦量場Fig.11 PIV image and its vorticity field

2.2 流動參數(shù)對勻速主流中泡狀流摻混融合特性的影響

通氣量、環(huán)境壓力等流動參數(shù)均會對氣泡束的膨脹和氣液界面的相互作用產(chǎn)生影響，進而改變泡狀流的摻混融合特性。圖12給出了主流在勻速來流條件下，多孔泡狀流在不同流動參數(shù)下的摻混融合特性圖譜，橫坐標為歐拉數(shù)（Eu=p/ρU2∞），縱坐標為通氣率（Qv=Qin/U∞A），其中，Qin表示一個大氣壓下的全部通氣量，U∞表示平板上方的來流速度，A表示通氣孔面積，p和ρ表示試驗段環(huán)境壓力和水的密度。紅色曲線是泡狀流融合區(qū)域與未融合區(qū)域的分界線。由圖可知，當歐拉數(shù)一定時，隨著通氣率的增大，泡狀流將從未融合狀態(tài)過渡到融合狀態(tài)；當通氣率一定時，隨著歐拉數(shù)的減小，泡狀流由未融合狀態(tài)逐漸向融合狀態(tài)轉(zhuǎn)變；融合工況集中分布在融合分界線的左上側(cè)。

圖12 流動參數(shù)對泡狀流摻混融合特性的影響圖譜Fig.12 Influence of flow parameters on the fusion characteristics of bubbly flow

圖13 給出了不同通氣率條件下，流場圖像及對應的無量綱氣泡面積在1 s內(nèi)隨時間的演變，圖中曲線上各點代表對應時刻的無量綱氣泡面積，黑色水平直線為其時均值。由流場圖像可知，當Qv=0.060時，不同“辮狀流束”之間互不干涉，穩(wěn)定向下游發(fā)展；當Qv=0.075時，隨著通氣率的增大，單位時間內(nèi)自通氣孔出流的氣體增多，離散“辮狀流束”氣泡寬度不斷增加，氣泡初始摻混位置在流向距離上明顯縮短，氣泡邊緣開始發(fā)生接觸但仍未形成融合；直至Qv=0.090，相互接觸的氣層邊緣相互作用發(fā)生摻混，流束間由單連通區(qū)域變?yōu)檫B通區(qū)域，形成穩(wěn)定氣泡覆蓋在平板表面。由氣泡面積曲線圖可知，在當前歐拉數(shù)下，氣泡面積時均值隨通氣率的增大也呈不斷增大的趨勢，氣泡面積值隨時間產(chǎn)生較大波動，且波動幅度隨通氣率的增大而更加劇烈，進一步說明了氣泡的不穩(wěn)定性及氣泡脫落的非定常特性。

圖13 氣泡面積隨通氣率的變化Fig.13 Variation of bubble area with ventilation rate

圖14 給出了不同歐拉數(shù)條件下的流場圖像及無量綱氣泡面積演變情況。流場圖像隨歐拉數(shù)的減小表現(xiàn)為從不融合到臨界融合、再到融合的流動狀態(tài)。當Eu=6.263 時，氣泡寬度較小，流束間距較大且保持橫向擴展向下游發(fā)展，但直至平板尾部氣泡寬度仍小于流束間距，保持離散狀態(tài)未發(fā)生融合；隨著歐拉數(shù)的減小，氣泡寬度沿橫向明顯增大，氣泡成帶狀緊貼平板壁面向后發(fā)展，平板尾部開始出現(xiàn)部分氣泡的摻混，流束整體處于白色水氣混合狀態(tài)；當歐拉數(shù)減小至2.693時，氣泡寬度進一步增加，流束間距又進一步縮小，平板中部就已開始形成橫向摻混，連續(xù)氣層一直延伸至平板尾部，水氣界面波動幅度顯著增大，最終形成大尺度的連通融合氣泡。對于氣泡區(qū)域面積，由圖可知隨著歐拉數(shù)的減小，氣泡區(qū)域的面積時均值不斷增大，且歐拉數(shù)越低，氣泡區(qū)域的面積波動幅度越大，氣液交界面波動也越劇烈。

圖14 氣泡面積隨歐拉數(shù)的變化Fig.14 Variation of bubble area with Euler number

2.3 主流的加減速流動對泡狀流摻混融合特性的影響

圖15 加速對泡狀流摻混融合特性的影響圖譜Fig.15 Influence of ventilation rate-Euler number on the fusion characteristics of bubbly flow

波動也較大。而勻速條件下的平板氣泡發(fā)展較穩(wěn)定，發(fā)展至平板底部便能形成良好的連續(xù)氣層，且水氣界面波動較小，穩(wěn)定性較高。

圖16 加速與勻速工況的全流場圖像對比Fig.16 Comparison of flow field image between accelerated and constant speed conditions

圖17 對比了主流在減速與勻速流動條件下的泡狀流融合特性。圖中藍色曲線為勻速流動工況對應的泡狀流融合區(qū)域與未融合區(qū)域的分界線，黃色曲線則是減速流動工況對應的泡狀流融合區(qū)域與未融合區(qū)域的分界線。由圖可知，黃色曲線以上陰影部分是減速融合區(qū)域，而勻速融合區(qū)域則分布在藍色曲線以上。明顯地，減速流動工況的融合區(qū)域面積稍大于勻速流動工況的，也即減速流動將促進泡狀流的摻混融合。

圖17 減速對泡狀流摻混融合特性的影響圖譜Fig.17 Influence of deceleration on the fusion characteristics of bubbly flow

為了進一步分析主流的減速流動對泡狀流發(fā)展及穩(wěn)定性的影響，選取圖17 中紫色方框處的工況點（Eu=3.312 4，Qv=0.074 71）進行研究。圖18 給出了該工況點的全流場圖像演化，其中圖18（a）為減速流動工況，圖18（b）為勻速流動工況。從圖中可以明顯看出，相較于勻速工況的氣泡，雖然兩種工況下的氣泡基本保持在同一水平高度，但由于減速平板的傾斜方向，使得氣泡自身的寬度顯著增加，減速狀態(tài)下的氣泡初始摻混位置明顯接近上游，減速不僅使氣泡運動速度逐漸降低，同時使水相對氣泡的壓力也不斷減小，給氣泡摻混提供更大的空間，因此氣泡寬度逐漸增大。此外，減速流動下氣泡厚度在混合過程中逐漸增加，形成的連續(xù)氣層表面不斷波動，但氣層厚度大于勻速流動下的連續(xù)氣層厚度，進而促進了氣泡的摻混融合。

圖18 減速與勻速工況的全流場圖像對比Fig.18 Comparison of flow field image between decelerated and constant speed conditions

3 結(jié) 論

本文采用近壁面氣液兩相流全流場顯示技術，結(jié)合PIV 技術在水洞中觀測了平板壁面多孔排氣泡狀流的宏觀物理景象和摻混融合特性，討論了不同通氣率、歐拉數(shù)和主流的加減速流動對氣液兩相流流動形態(tài)和摻混融合特性的影響，研究結(jié)果表明：

（1）多孔泡狀流特征流型主要分為細泡狀、細條狀、連續(xù)透明狀、透明泡狀、泡沫狀和連續(xù)泡沫狀，其中細泡狀、細條狀及泡沫狀流型未融合，連續(xù)透明狀表現(xiàn)為臨界融合流態(tài)，透明泡狀和連續(xù)泡沫狀流型均表現(xiàn)為融合流態(tài)。

（2）隨著通氣率的增大和歐拉數(shù)的減小，泡狀流由未融合狀態(tài)逐漸向融合狀態(tài)轉(zhuǎn)變。隨著通氣率的增大，氣泡初始摻混位置在流向距離上明顯縮短，氣泡面積的波動幅度增大，氣泡面積時均值呈不斷增大的趨勢。隨著歐拉數(shù)的減小，氣泡寬度沿橫向增大，流束間距縮小，氣泡面積時均值不斷增大且波動更為劇烈。

（3）主流在減速流動工況的融合區(qū)面積大于勻速流動，勻速流動工況的融合區(qū)面積大于加速流動。加速流動的主流對氣泡產(chǎn)生擠壓使得氣泡的厚度降低，抑制了氣泡的摻混融合。減速流動時氣泡厚度在混合過程中逐漸增加，促進了氣泡的摻混融合。