空化初生机理及比尺效应研究

论文题目: 空化初生机理及比尺效应研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水力学及河流动力学

作者: 杨庆

导师: 戴光清

关键词: 初生空化数,比尺效应,突扩流,混合模型,变密度方程

文献来源: 四川大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文在总结前人研究成果的基础上,理论分析研究了空化初生机理和水中气核及脉动压力对空化初生的影响; 试验研究了不同流速、不同台阶高度的突扩式后台阶管流的初生空化特性; 用紊流混合模型和k ~ε结合变密度方程分别对突扩式后台阶三维管流的初生空化进行了数值模拟; 提出了进行空化试验时必须考虑的基本原则和措施等。主要研究内容和成果如下: 1.研究表明:水中气核没有达到绝对饱和状态之前,模型水体中气核应遵循λ3l的相似规则; 达到绝对饱和之后,气核密度不再是一个重要的参数,不再需要遵循λ3 l的相似规则,模型和原型之间自动实现相似。2.建立了气核初始半径和水体抗拉强度的经验关系式,建议计算初生空化数时考虑水体抗拉强度的影响。分析了水中空气含量对旋涡空化的影响,得出初生空化数和水中气体含量之间的关系式。3.分析研究了气核数量对空化类型和初生空化数的影响,以及水中气核成分对空化现象的影响。得出了气核状态对泡状空化的初生空化数有较大影响,气核含量对片状空化的初生空化数几乎没有影响,梢涡空化的初生空化数对气核状态极为敏感; 以及气泡的发育与气泡中气体的密度、扩散系数等有关,故不同的气核成份会导致不同的空化过程等结论。4.研究了脉动压力对空化初生的影响,对其机理进行了分析,揭示了脉动压力促使空化提前发生的原因,得出了考虑脉动压力项的初生空化数计算公式的概化模型。5.根据N-S方程推导了脉动压力的模型相似准则,得出在强紊动区,脉动压力满足重力相似准则; 但在平顺边界上的水流脉动,脉动压力不符合重力相似准则的结论。

论文目录:

摘要

Abstract

主要符号表

1 绪论

1.1 RAYLEIGH-PLESSET 方程

1.2 空化形成机理

1.2.1 液体中的气核

1.2.2 气核的生长

1.2.3 气泡的溃灭

1.3 空化初生

1.3.1 初生空化数

1.3.2 空化的分类

1.4 空化初生的影响因素

1.4.1 液体粘性和自由来流速度

1.4.2 表面张力

1.4.3 气核

1.4.4 边壁表面条件

1.4.5 压力梯度

1.4.6 高分子聚合物

1.4.7 热力学

1.4.8 气核生长惯性项

1.5 空化实验的比尺效应

1.6 空化相似律

1.7 空化流的数值模拟

1.7.1 边界积分法

1.7.2 界面跟踪法

1.7.3 均质平衡流方法

1.7.4 变密度方程法

1.8 本文研究的主要内容和技术手段

2 泡动力学基础

2.1 泡运动的动力方程

2.1.1 静止液体中的泡动力方程

2.1.2 流场中的运动泡动力方程

2.2 任意流场中空泡的运动方程

2.2.1 空泡在任意流场中的受力

2.2.2 空泡受力的数量级分析

2.2.3 空泡的质心运动方程

2.2.4 空泡的径向运动方程

2.2.5 空泡在任意流场中的运动控制微分方程

2.3 气泡运动的数值方法

2.3.1 气泡运动数值模拟的历史

2.3.2 边界积分方程

2.3.3 空泡的数值模拟结果

2.4 小结

3 气核对空化比尺效应的影响

3.1 气核密度和分布的相似准则

3.2 气核尺度对空化比尺效应的影响

3.3 水中气体含量对漩涡空化的影响

3.4 气核数量对空化现象的影响

3.4.1 气核数量对空化初生的影响

3.4.2 气核数量在片状空化向泡状空化转变过程中的作用

3.5 气核成份及其对空化现象的影响

3.5.1 气核组成成份

3.5.2 气核成份对空化的影响

3.6 小结

4 脉动压力对空化的影响

4.1 气核生长的条件

4.2 脉动对气核生长的影响

4.3 水流脉动的相似律研究

4.4 水流紊动对空化比尺效应的影响

4.5 小结

5 高速突扩流空化试验

5.1 试验装置制作

5.2 试验测试仪器

5.3 试验工况

5.4 试验测试方法

5.5 试验结果

5.5.1 试验结果

5.5.2 结果分析

5.6 小结

6 突扩空化流的三维数值模拟

6.1 混合流模型(MIXTURE MODLE)

6.1.1 数学方程

6.1.2 数学离散方法

6.1.3 边界条件的处理

6.1.4 计算区域

6.1.5 计算结果

6.2 k ~ ε模型结合变密度方程

6.2.1 基本方程

6.2.2 变密度方程

6.2.3 数学离散方法

6.2.4 边界条件

6.2.5 计算区域

6.2.6 计算结果

6.3 小结

7 减小空化比尺效应的措施

7.1 水中气核饱和度

7.1.1 水中气核相似

7.1.2 水中气核饱和现象

7.1.3 常见的气核发生装置

7.1.4 自来水中氯气的影响

7.1.5 水中含气量

7.2 雷诺数

7.3 物体壁面性质

7.4 小结

8 结论

作者在读期间发表论文及参加科研项目情况

声明

致谢

发布时间: 2006-05-12

参考文献

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