本文關(guān)鍵詞： 空化流動 同步測量技術(shù) 壓力脈動 主動通氣 收縮-擴(kuò)張流道　出處：《北京理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：空化現(xiàn)象經(jīng)常會出現(xiàn)在螺旋槳、水輪機(jī)、水泵等流體機(jī)械的內(nèi)部流動,以及高速水下航行體周圍。上述領(lǐng)域中的空化現(xiàn)象絕大多數(shù)是一種附著型的空化,空穴附著在繞流物體表面,其非定常過程包含了附著型空穴的生長、脫落、潰滅等復(fù)雜的非定常流動現(xiàn)象,空穴演變誘導(dǎo)的壓力脈動可能帶來振動、噪聲、空蝕等不良影響。開展附著型空化流動非定常特性的基礎(chǔ)研究,尤其是流體動力特性的研究,有助于對空化流動規(guī)律的掌握,提出相應(yīng)措施抑制空化流動的不利影響,具有重要的工程意義。本文針對附著型非定常空化的流動及其流體動力特性,開展了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究。在實(shí)驗(yàn)研究方面,建立了一套基于空化水洞的空化流動多場同步測量系統(tǒng),針對收縮-擴(kuò)展流道內(nèi)的非定常空化流動,研究了空穴演變誘導(dǎo)的壓力脈動特性,包括空穴潰滅產(chǎn)生的時間尺度為微秒量級的壓力脈沖特性,并且嘗試采用主動通氣技術(shù)對附著型空化流動的非定常特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。在數(shù)值計(jì)算方面,深入分析了云狀空化形態(tài)演變及其誘導(dǎo)壓力脈動的機(jī)理,以及云狀空化的旋渦運(yùn)動特性。全文主要內(nèi)容及創(chuàng)新性成果如下:(1)建立了基于空化水洞的空化流動多場同步測量系統(tǒng),該系統(tǒng)將高速全流場顯示系統(tǒng)和壓力測量系統(tǒng)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)了空穴形態(tài)和壓力脈動的同步采集,進(jìn)而可以對附著型非定�？栈鲃拥乃矔r空穴形態(tài)和壁面壓力脈動進(jìn)行同步分析,揭示空穴形態(tài)演變與流體動力的相互關(guān)系。(2)基于多場同步測量系統(tǒng),同步測量了收縮擴(kuò)展流道內(nèi)附著型非定�？栈目栈螒B(tài)和壓力脈動。獲得了壓力脈動的時域和頻域特性隨空化數(shù)的變化規(guī)律。重點(diǎn)研究了云狀空化生長、脫落、潰滅準(zhǔn)周期發(fā)展過程誘導(dǎo)的壓力波動規(guī)律,獲取了云狀空化空穴演變與壓力脈動的關(guān)聯(lián)特性。在云狀空化的非定常演變過程中,捕捉到了幅值為幾個大氣壓量級,時間尺度為微秒量級的壓力脈沖,壓力脈沖在流場中的傳播速度與當(dāng)?shù)氐暮瑲饬坑嘘P(guān)。依據(jù)壓力脈沖累積強(qiáng)度的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn),附著型空穴覆蓋區(qū)域的累積壓力脈沖強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于附著型空穴尾部和脫落型空穴潰滅區(qū)域的累積壓力脈沖強(qiáng)度。另外,采用粒子圖像測速技術(shù)測量了收縮擴(kuò)張流道內(nèi)不同空化數(shù)條件下的流場速度、渦量和湍流脈動分布,分析了空穴的非定常發(fā)展過程對當(dāng)?shù)亓鲌鼋Y(jié)構(gòu)及湍流場的影響。(3)揭示了云狀空穴發(fā)展過程中空穴演變與其誘導(dǎo)壓力脈動的機(jī)理,以及云狀空化的旋渦運(yùn)動規(guī)律。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果,表明云狀空穴準(zhǔn)周期變化過程產(chǎn)生的壓力波動與空穴體積的二階導(dǎo)數(shù)成正比,并且基于簡化的單個空泡動力學(xué)方程的推導(dǎo)對上述結(jié)論進(jìn)行了理論支撐。另外,采用拉格朗日分析方法、Q等值面和三維流線等方法呈現(xiàn)了云狀空化的三維旋渦運(yùn)動特性。(4)獲得了主動通氣技術(shù)對云狀空化流動非定常流體動力特性的調(diào)節(jié)作用。采用同步測量技術(shù),獲取不同空化數(shù)和通氣率下的空穴形態(tài)和壁面壓力波動,發(fā)現(xiàn)主動通氣有效地抑制了云狀空化潰滅產(chǎn)生的壓力脈沖,隨著通氣率的增加,附著型空泡斷裂、脫落的頻率顯著降低,使得整個擴(kuò)張流道內(nèi)的附著型空泡發(fā)展過程更加穩(wěn)定,壓力脈動強(qiáng)度顯著降低。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O35

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