空化区多相混合流体介质特性实验研究进展.pdf
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1、文章编号:1672-9897(2023)05-0111-11doi:10.11729/syltlx20220138空化区多相混合流体介质特性实验研究进展王本龙*,张浩,刘筠乔上海交通大学工程力学系,上海200240摘要:空化流动是水动力学领域一种特有的流动现象,空化区内部水汽掺混情况复杂,需要借助特殊实验测量手段来获取其中混合介质特性。本文回顾了用于空化区多相混合介质测量的非接触式和接触式实验方法,包括电离辐射、内窥技术、电阻探针和光纤探针等。相比于对实验条件要求较高的非接触式测量技术,接触式探针测量技术更加简便和稳定,可以得到单个测点位置的含汽率、汽泡速度和汽泡尺度等信息。此外,本文还介绍了
2、近年来多相流探针技术在空化流测量中的应用。研究者们分别采用电阻探针和光纤探针,研究了空泡水筒中楔形平板空化和水翼空化内部的介质特性,得到的结果主要包括平均含汽率和汽泡尺度统计分布两方面,发现了云空化区内含汽率高低与空化数密切相关,且楔形平板空化流动和水翼空化流动中存在非常相似的汽泡尺度分布特征。关键词:空化;两相流;含汽率;汽泡尺度分布中图分类号:O352;O359文献标识码:AExperimental research on the mixture properties insidecloud cavitation regionWANG Benlong*,ZHANG Hao,LIU Yunq
3、iaoEngineering Mechanics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,ChinaAbstract:Cavitating flows are unique phenomena in the research field of hydrodynamics.Withinthecavitationregion,vaporandwateraremixedinacomplexstate.Specialexperimentaltechniques are required to obtain the mixture properties.
4、Both non-intrusive and intrusivetechniques for cavitating mixture measurement are reviewed,including ionizing radiation,endoscopy,electrical impedance probes and optical fiber probes.In comparison with theexperimentallydemandingnon-intrusivemethods,intrusiveprobetechniquesprovidesimpleandstablesingl
5、e-pointmeasurementsforthevoidfraction,bubblevelocityandbubblesize.Recentapplications of phase-resolved probe techniques are then introduced.The electrical impedanceprobeandopticalfiberprobewereusedinthemixturepropertymeasurementsinwedge-plateandhydrofoilcavitation,respectively.Thetime-averagedvoidfr
6、actionandstatisticaldistributionof the bubble size were obtained.The results indicate that the void fraction within cloudcavitationiscloselyrelatedtothecavitationnumber,andthecharacteristicsofthebubblesizedistributionarequitesimilarbetweenthetwokindsofcloud-cavitatingflows(wedge-plateandhydrofoilcav
7、itation).Keywords:cavitation;two-phaseflows;voidfraction;bubblesizedistribution 0 引言以空泡流动为典型研究对象的自由表面水动力学是流体力学领域的特色分支,在船舶海洋工程、航天领域具有国家重大需求和国防应用背景,是船舶推进器、跨介质航行体、水下高速航行体等运载装备收稿日期:2022-11-30;修回日期:2023-05-20;录用日期:2023-06-03基金项目:国家自然科学基金项目(92252205)*通信作者E-mail:引用格式:王本龙,张浩,刘筠乔.空化区多相混合流体介质特性实验研究进展 J.实验流体力学
8、,2023,37(5):111-121.WANGBL,ZHANGH,LIUYQ.ExperimentalresearchonthemixturepropertiesinsidecloudcavitationregionJ.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2023,37(5):111-121.第37卷第5期实验流体力学Vol.37,No.52023年10月Journal of Experiments in Fluid MechanicsOct.,2023水动力载荷预报和综合隐身性能发展的力学基础。空化区内部水汽掺混直接影响混合介质的密度及压力传播特性,遗
9、憾的是,目前关于空泡内部汽泡尺度和含汽率分布的现存资料极其有限,空化流非稳定特性、空蚀和噪声等问题的力学模型和数值模拟方法与应用需求存在巨大差距。水动力学不稳定性对空化条件下水下高速航行体有较大影响,而水动力学不稳定性的产生又与空泡内部水汽结构和相变过程相关。定量分析云空泡内部或者局部结构,尤其是含汽率和汽泡尺度分布,是研究运动波(kinematic waves)特征及其不稳定性、空泡闭合区域高湍流度、空泡溃灭、声发射和空蚀产生的脉冲等复杂问题的基础。空泡区含汽率和汽泡尺度分布也是空蚀研究的基础。一般来说,压力波和微射流是空蚀发生的 2 种主要机制。空泡在溃灭过程中会产生压力脉冲和激波,会对物
10、体表面造成损坏,甚至能够产生闪光。微汽泡尺度是预测溃灭压强强度的基本参数。空泡流单极子声源与空化区群泡溃灭直接相关,汽泡半径的二阶导数与声波的最大幅值紧密相关,这无论是基于 RayleighPlesset 方程分析还是实验测量都得到证实。相比于气核含量,汽泡数量和尺度对总噪声辐射影响更大。一旦汽泡分布确定,就可以估算总空泡噪声。面向新一代装备研制,实际海洋环境空化流动呈现多尺度、多相、多物理场的特点。历经势流、黏流到多相湍流 40 余年研究历程,当前空化水动力学研究仍面临空化区多相介质与流动特性难测量的问题,空泡流是非均匀、非平衡的气液多相湍流,水/气密度、流动尺度均跨 3 个以上数量级,光学
11、遮蔽效应强,空化区多相介质特性与流场测量手段匮乏。云空化内部介质性质和动力学特征与工程实际密切相关,是水动力学研究领域的重点问题,但目前关于云空化的研究工作在云空化区内部特征和空泡特性定量描述等方面仍有不足。本文将从非接触式云空化实验研究、探针测量技术等方面对当前云空化区介质特性研究成果进行回顾和总结。1 非接触式云空化实验研究技术研究者对空泡形态和脱落结构进行了大量实验研究,获取了空泡形状、壁面压力和外部流场速度等流场信息。对于液态水与蒸汽掺混的复杂两相流动,蒸汽含量、泡群泡径分布和速度等多相混合流体介质特性是研究空化区流动的重要基础数据。空泡内部汽泡尺度和含汽率分布的现有资料很少,难以支撑
12、高精度云空化模型的发展。为了深入认识云空化流动机理,建立有效的空化模型,对空泡内部结构定量测量提出了迫切需求。在空化流动中,空泡界面以外或空化尾流中存在着离散分布的微汽泡,此时可采用粒子示踪测速(Particle Image Velocimetry,PIV)或激光多普勒测速(Laser Doppler Anemometry,LDA)技术进行流场测量,或者通过光学摄影方法(如全息拍摄技术)来获取微汽泡泡径大小;但在水汽高度掺混的高含汽率空化区,由于光学遮蔽效应显著,一般的流场光学测量技术和流场图像重构方法均难以获取空化区内部介质特征与泡群信息,需采用特殊实验测量手段,如非接触式多相流测量技术等。
13、下面介绍用于空泡内部介质特性研究的若干新兴实验测量技术。1.1 电离辐射测量作为非接触式测量技术,电离辐射测量主要包括 射线和 X 射线。射线测量精度较高,可作为其他类型测量手段的校核,如 Tortora 等1将 射线作为电阻抗层析成像方法的校核标准。然而,射线受能量强度限制较大,硬件要求标准较高,因此常规实验室测量主要采用 X 射线。X 射线波长远小于可见光,可穿透遮蔽光路的介质,适用于多相掺混介质的相关测量,通过显示不同相之间的边界,可以实现多相流的阴影成像。二十世纪五六十年代,X 射线成像技术出现在多相流研究领域,用来研究气固流化床和气液反应中的水气比。后来,X 射线成像技术被用来测量二
14、维水翼片空泡水汽含量(Coutier-Delgosha 等2)。为了获得非定常空泡演化的结果,瞬态时间 X 射线密度测量技术也在不断发展(Mkiharju 等3)。Ganesh等4通过高速相机和高时间分辨率的 X 射线测量方法研究了楔形体产生的片空化和云空化,记录了片空化向云空化转化过程中的空泡形态和含汽率分布,发现了回射流和凝结激波这 2 种空泡脱落机制。Zhang 等5-7利用同步加速器 X 射线快速成像技术,研究了文丘里试验段产生的片空泡内部结构和片/云空泡脱落机制,得到了空泡内平均含汽率分布和速度场。此外,还有其他学者也成功地将 X 射线相关测量技术应用到空化的实验研究中,如 Stut
15、z112实验流体力学http:/和 Legoupil8、Coutier-Delgosha9和 Aeschlimann10等。然而,X 射线成像和测量技术仅能够获得空化流动在二维平面上的投影,适用于展向差异不大或展向尺度较小的流动,对于三维性较强的空化流动,则会不可避免地引入混淆和误差。此外,实验装置复杂和辐射防护要求较高的特点也阻碍了该技术的广泛应用。1.2 内窥测量作为光学测量手段,内窥(endoscopy)技术目前已被广泛应用于流场观测,可便捷、准确地观察各种隐蔽部位和外部光路难以进入的流场,在航空涡轮叶片和燃烧室测量、工业管线在线测量、蒸汽发生器检测等众多领域也有成熟应用。内窥镜主体包含
16、内外 2 层:导光纤维和观测光路系统。导光纤维为观测视场提供光源;观测光路系统由物镜、中继透镜和目镜以及高速摄像和 PIV 测速系统组成。内窥镜主体内可实现微型化,直径在毫米量级,可以方便地进行狭小空间内(如空泡内部)的测量;高速摄像和PIV 测速系统可以对微气泡尾迹进行记录,以获得微气泡尾迹区域的流场特征。Coutier-Delgosha 等9首次将内窥镜技术应用到片空泡内部汽泡形态的观测中,发现空泡内部大多数汽泡并不呈球形,且水汽掺混结构沿空泡长度方向差异很大,与原来的两相介质均匀掺混假设截然不同。此外,中国船舶科学研究中心陆芳等11将内窥镜与高速摄像结合,开发了实船螺旋桨的空泡观测系统,
17、通过不同观测角和观测位置的内窥镜成功观测并记录了螺旋桨桨叶空泡和梢涡空化的形态,填补了国内实船螺旋桨空泡观测的空白。然而,通过内窥技术仅可实现两相流空间拓扑结构的定性观测,无法定量估算含汽率、汽泡尺度等信息。1.3 其他非接触式测量技术除电离辐射和内窥测量方法外,还有多种非接触式技术已应用于空化实验研究中,取得了一些测量结果并具有不错的应用前景。电容层析成像(Electrical Capacitance Tomo-graphy,ECT)技术广泛应用于工业管道气液两相流空隙率测量、流化床气固两相浓度分布可视化和火焰成像等多相流在线测量。ECT 技术根据被测工质的介电常数差异,记录多对测量电极间的
18、电场变化,通过求解反问题的层析重构算法(Marashdeh 等12)计算出流场中的介电常数分布,进而还原各相组分分布,具有快速、安全、廉价等优势,但由于测量电极个数和尺寸的限制,其空间分辨率不高。对于气液两相流动,ECT 技术可以给出流场内部空隙率的空间分布,通过后处理也可得到相应的气泡运动规律。在 因 水 击 效 应 而 发 生 瞬 态 空 化 的 管 道 中,Adam 等13利用 ECT 技术重构了横断面内的气液分布。ECT 技术因其技术特点而常用于管道流动测量中(如 Banasiak14和 Al Hosani15等),如果希望在其他空化流动中应用,则还需要对实验装置和测量方案进行改进。磁
19、共振成像/测速(Magnetic Resonance Imag-ing/Velocimetry,MRI/MRV)技术常用于医学上人体内部结构成像和石油工程中油气水多相流动16-17研究。磁共振成像技术的基本原理如下:物质原子核内质子在外加磁场作用下发生进动,此时发射与质子进动频率相同的射频脉冲,激发成像区域,使质子发生核磁共振;当射频脉冲移除后,被激发的共振质子经历逐渐恢复到原始状态的弛豫过程,以发射电磁波的形式释放能量,此时由采集系统接收共振质子释放的电磁波信号,根据不同物质之间弛豫时间和质子密度的差异,实现不同组织或不同相的磁共振成像18-19。MRI 技术已被应用于垂直上浮气泡流20、液
20、滴喷雾21和声空化22-23等气液两相流的研究中。Adair 等24采用单点测量 MRI 技术,实现了管道中水动力空化流动的含汽率和速度测量。John等25基于 MRV 技术,测量了文丘里试验段空化流动的平均速度和含汽率分布,并分别在全湿和空化工况中由 PIV 和 X 射线技术进行校准和验证,发现MRV 技术测得的速度数据比较可靠,但在测量含汽率时信号损失会被湍流等因素引起的信号衰减所混淆,造成不太准确的含汽率测量结果。MRI/MRV技术对流场干扰很小,安全无辐射,且具有时间和空间分辨率较高的优势,但磁共振信号对温度条件较为敏感,且在进行成像和测量时需将流场布置在磁共振测量装置内部,对实验条件
21、要求较高26-27。此外,正电子发射粒子追踪(Positron EmissionParticle Tracking,PEPT)技术同样能够实现不同相的识别成像,但尚未应用于水动力空化实验测量。以上非接触式测量技术具有广阔的发展空间,未来有望在空化区多相流体介质特性的研究中取得可靠的测量结果。2 多相流探针技术发展现状空化实验中的探针技术发源于化工多相流研究第 5 期王本龙等:空化区多相混合流体介质特性实验研究进展113领域,首先应用于管道中气液两相流局部含气率测量。在 20 世纪 60 年代,在多相流含气率测量中较为流行的技术是利用 射线或 射线的衰减获得管道截面内的平均含气率,但该方法多用于
22、工业界且对于非均匀流动误差较大,研究者们希望能够在实验中测量单点处的局部含气率。受气液两相流动中测量局部流动参数的探针技术(如热线探针和电容探针等)启发,Neal 和 Bankoff28采用电阻多相流探针测量了圆管中汞氮混合介质的体积含气率、气泡频率和气泡尺度的单点分布,输出信号为方波波形,并利用自相关函数和功率谱密度处理信号。最早的光学探针是 Miller 和 Mitchie29设计的,采 用 了 圆 锥 形 的 玻 璃 细 棒 尖 端。Abuaf 等30于1978 年提出了一种新形式的光学多相流探针,用来测量气液两相流动中的含气率和气泡速度:将 2 根光纤熔合在一起,插入不锈钢管中,熔合部
23、分削成顶角 90的圆锥体,即为探针传感端,2 根光纤自由端分别连接光源和光电二极管电路。该光学多相流探针是后来多相流探针和本文使用的激光光纤多相流探针的雏形(其工作原理也基本一致)。此外,Abuaf等还描述了这类单点测量光学多相流探针的基本原理和特性,研究了探针系统的电子响应和探针尖端通过气液界面时的水动力学特性。1991 年,Cartellier 和 Achard31回顾了二十世纪七八十年代相识别技术在两相流动研究中的应用,其中包括光学探针技术、电阻探针技术、热交换技术(热线/热膜探针)和电化学技术,并总结了多种气液两相信号的处理方法。20 世纪 90 年代,Car-tellier 及其合作
24、者32-38充分发展和研究了光纤探针,使之量产化,成为气液两相流动研究中的有效测量手段;他们还提出了多种传感端形状的光纤探针,包括 1C 型(Cone)和 3C 型(Cone+Cylinder+Cone),并分析了不同探针的特点和优势,以及探针刺破气泡时的水动力学响应。此外,在 20 世纪 90 年代末,利用双探头光学探针的测量方法出现,即采用 2 根相互靠近的光学探针测量汽泡信号,由两根探针信号的时间延迟来获得汽泡速度和尺度信息。Stutz 和 Reboud39首先在实验技术方面验证了双探头光学探针在测量汽泡速度、平均含汽率和水/汽流量时的有效性,给出了确定探针时间延迟和水汽信号阈值的方法,
25、并分析了测量的不确定度和误差。随后 Stutz 和 Reboud40利用双探头光学探针研究了空泡水筒中文丘里试验段产生的片空泡流动特性,测量了片空泡内部气液两相流动的介质特性,包括平均含汽率及汽泡速度和泡径,详尽地分析了片空泡内空泡结构的动力学演化,并用片空泡内各部分的质量和动量守恒分析了空化流场的非定常性,还研究了雷诺数和空化数对空泡内部流动形态的影响。此外,还发展出了四探头探针41-42,可以更好地捕捉气泡形状特征。进入 21 世纪以来,光纤探针得到进一步研究和发展。Enrique Juli等43利用高速相机拍摄了光纤探针刺破气泡的过程,研究了光纤探针对气泡流中含气率和驻留时间的测量精度,
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