云空化内部结构及演化研究

【摘要】：针对水翼上发生的大尺度云空化,从云空化形成机理,主要是片空化如何失稳形成云空化出发,重点研究云空化的演化过程,包括云空化的内部结构和云空化流场及其变化规律。通过在空化水洞中对三维扭曲水翼云空化的试验研究,采用高速摄像从不同角度对云空化演化过程进行了详细观察,并依靠自主开发的激光干涉成像方法对云空化内部结构进行了测量。同时采用大涡模拟对云空化演化过程进行了数值模拟和分析,获得了云空化形成和演化的基本机制和流动特性。研究表明,在片空泡尾部由于逆压梯度引起回射流形成绕片空泡的速度环量,当逆压梯度足够大,回射流可以到达片空泡前缘形成大尺度的脱落,同时回射流中法向速度分量不断冲击空泡的汽液界面,使片空泡内的气体转化为大量微小气泡,试验证实了云空化内部是由大量微气泡组成,微气泡的主要尺度在0.2mm左右。云空化演化过程由旋涡流动控制,速度环量在云空化演化之初形成包裹的云空化的横向旋涡流动结构,在主流作用下该涡结构的中间部分受到壁面法向方向的升力作用而离开壁面,从而在水翼展向形成以中间高为头部,两端低为两腿的U型涡结构。在云空化的演化过程中,一方面U型涡结构沿流向运动,受主流影响U型涡在主流方向受到拉伸作用形成头部向下游倾斜的趋势,同时涡量逐步耗散。另一方面,由于旋涡中心低压作用,云空化中的微小气泡逐步向涡中心聚集,并在下游高压作用下溃灭。