非定常自然空泡脱落机理的实验与数值研究

"非定常自然空泡脱落机理研究 - 高校博士学科点专项科研基金项目，吴钦，王宁，黄彪 - 清华大学热能工程系，北京理工大学机械与车辆学院" 本文主要探讨了非定常自然空泡脱落的机理，这是一种在高速水流或流体动力学中常见的现象，对于理解和预测流体系统中的动力学行为至关重要。作者吴钦、王宁和黄彪采用了实验和数值计算两种方法来深入研究这一现象。 实验部分，研究团队利用高速摄像技术详细观察了空化过程的不同阶段。高速摄像能够捕捉到空穴形成、发展以及空泡脱落的微小细节，这对于理解空泡动态行为非常关键。此外，他们还运用动态应变仪来监测空泡脱落引起的动力信号变化频率，这些数据为分析空泡脱落的动力学特性提供了实验证据。 数值计算方面，研究者使用了均质流模型，该模型考虑了汽液相间的质量传输，这对于模拟空化流动至关重要。同时，他们应用了滤波器湍流模型（FBM）来细致描绘空泡的脱落过程，FBM能够更准确地捕捉到空泡在脱落过程中的动态行为。 研究结果显示，非定常空泡在不同的空化阶段表现出不同的脱落机制。在相对稳定的片状空化阶段，空穴内部的压力波动导致小尺度空泡团的无规律脱落。随着空化状态的演变，进入片状空化向云状空化的过渡阶段，通过升力信号的频谱分析，发现有两个特征频率，一个反映了空穴的不稳定性，另一个则揭示了类似空化云的脱落特性。在云状空化阶段，大尺度空泡团的周期性脱落是由空化尾部的高压区引发的反向流动造成的，这种反向流动逐渐推进到前缘，从而导致大尺度空泡的脱落。 关键词涉及的领域包括流体力学、非定常空化和空泡脱落，这提示着该研究对于理解高速水动力学中的复杂流动现象，尤其是在涉及空化、流体动态响应和结构强度评估的工程应用中具有重要意义。通过深入理解这些机理，可以为水下航行器设计、船舶推进系统优化、水力发电站以及其他与流体流动相关的工程问题提供理论支持和解决方案。 这项研究不仅扩展了我们对非定常空泡脱落机理的理解，也为未来相关领域的科学研究和技术开发提供了坚实的基础。