趙東方 朱佳凱 徐 璐 余 柳 張小斌 陳建業(yè) 王宇辰

(浙江大學制冷與低溫研究所，浙江省制冷與低溫技術重點實驗室 杭州 310027)

1 引言

汽蝕是由于流場中局部壓力低于當?shù)販囟葘娘柡驼羝麎憾嘧兤默F(xiàn)象［1］。汽蝕現(xiàn)象普遍存在于有液體運轉的流體機械中，如透平機械、泵等。在大多數(shù)情況下，汽蝕引起消極影響，如減少泵的揚程，引起葉片的震動和噪聲，剝蝕葉片表面，降低流體機械的壽命，汽蝕導致兩相流動，也給流量測量帶來困難。低溫流體汽蝕現(xiàn)象也廣泛存在，如低溫火箭發(fā)動機中用來精確控制流量的文氏管，燃燒室之前的渦輪泵，汽蝕都極易發(fā)生。2003年和2004年日本的H-2火箭兩次發(fā)射失敗，都是因為汽蝕問題導致管路破損。隨著我國以液氫、液氧為燃料的大推力火箭發(fā)動機的發(fā)展，汽蝕問題也成為火箭研制過程中亟待解決的重要課題。

相比于水等室溫流體，低溫流體保存及輸送過程往往處于飽和狀態(tài)或者過熱度很小，汽蝕極易發(fā)生。而且為維持流動過程壓力減小需汽蝕產(chǎn)生足夠的蒸汽，由于低溫流體具有液體/蒸汽密度比比水小，從而需要更多飽和液體汽化，導致汽蝕區(qū)溫降更明顯，汽化吸熱效應更顯著［2］。相比于常溫流體，低溫流體汽蝕溫降不能忽略［3］，低溫流體比熱和導熱系數(shù)小等因素也是溫降效應明顯的原因(見表1)。同時低溫流體的飽和蒸汽壓-溫度曲線比常溫流體更為陡峭，如圖1所示，汽蝕區(qū)溫度降低導致飽和壓力明顯降低，因此熱效應引起的另一個顯著特點是，汽蝕發(fā)生時飽和蒸氣壓力不能認為是常數(shù)，飽和壓力降低大大遏制了汽蝕的發(fā)生。實驗證實，對于水等不考慮熱效應的室溫流體，來流液體不能進入汽蝕區(qū)內(nèi)部，汽蝕區(qū)實際上是個蒸汽區(qū)，維持汽蝕區(qū)壓力的蒸汽主要來自氣液界面的蒸發(fā);而對于低溫流體，來流液體能夠進入汽蝕區(qū)內(nèi)部，汽蝕過程呈現(xiàn)氣液兩相共存的多孔霧狀，維持汽蝕區(qū)壓力的蒸汽主要來自流入汽蝕區(qū)液體的蒸發(fā)［4-5］。

表1 低溫流體與水物性參數(shù)Table 1 Physical properties of cryogenic fluids and water

圖1 氮和水的飽和蒸汽壓-溫度曲線Fig.1 Pv-T curve of nitrogen and water

低溫流體與常溫流體汽蝕存在上述差異，使得低溫流體汽蝕表現(xiàn)出特殊的機理，因此適用于常溫流體的汽蝕模型應用于低溫流體建模需要驗證。

2 低溫汽蝕實驗研究現(xiàn)狀

在低溫流體汽蝕實驗研究方面，由于與環(huán)境溫差很大及過熱度小等因素，為避免漏熱沸騰產(chǎn)生的氣泡混淆汽蝕產(chǎn)生的氣泡，應保證低溫流體進入汽蝕部件時處于單相(液體)狀態(tài)。因此，整個實驗系統(tǒng)必須真空絕熱，同時盡量減小其他漏熱，這極大增加了低溫流體汽蝕實驗可視化觀察和壓力、溫度測量的難度。大推力火箭發(fā)動機使用液氫液氧作為低溫推進劑，NASA的Hord等人最早開展了液氫、液氧和液氮繞流水翼、文丘里管和鈍頭體的可視化實驗［6-9］，并測量了類穩(wěn)態(tài)汽蝕時汽蝕部件溫度和壓力分布，這些數(shù)據(jù)成為以后研究者驗證數(shù)值模型準確性的“標尺”。

日本在低溫流體汽蝕研究方面也較早，Yutaka［10］做了水及液氮繞流水翼的實驗和模擬。水翼安裝迎角為8°，在水汽蝕實驗中，隨著水溫升高，汽蝕數(shù)逐漸減小，現(xiàn)象由不能發(fā)生汽蝕逐漸演變?yōu)樵茽钇g，云狀汽蝕的脫離頻率f=111 Hz。在液氮的試驗中，入口速度和汽蝕數(shù)跟高溫水基本保持一致，脫離頻率變成了 f=89.7 Hz。Ishimoto［11］等人對加壓液氮在水平方形噴嘴中的汽蝕流動做了研究，發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)時，流動不穩(wěn)定，汽蝕的產(chǎn)生也不可持續(xù)。在高雷諾數(shù)區(qū)域，汽蝕數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增加并且與實驗吻合較好。該實驗測量的壓力值僅限于自由單相流區(qū)域，實驗數(shù)據(jù)少，結構單一，且更關注于邊界條件對汽蝕的影響。Naoki Tani［12］研究了二維拉法爾噴嘴的液氮汽蝕實驗，測量了汽蝕區(qū)壓力分布。Niiyama［13］研究了液氮孔口流動對汽蝕的影響，測量了汽蝕區(qū)壓力和溫度分布。Ohira K［14］研究了飽和液氮和過冷液氮在漸縮-漸擴型噴嘴中的非穩(wěn)態(tài)汽蝕流動，指出氣液兩相流動中喉部速度受聲速限制，闡明了梗塞流(choked flow)和汽蝕的關系。實驗觀察到當液氮溫度降低到76K的時候，流動類型從連續(xù)模式轉換到間歇模式。在間歇模式中，從汽蝕發(fā)生到消失時間只有毫秒級別。在74—76 K溫度范圍內(nèi)也觀察到了間歇模式，這時汽蝕消失之前能持續(xù)幾秒鐘。實驗還指出文氏管的汽蝕現(xiàn)象跟喉部直徑?jīng)]有關系。Barre等人［15］開展了文氏管的汽蝕實驗和數(shù)值研究，從一個80 mm長的類穩(wěn)態(tài)片狀汽蝕，估算出了冷水汽蝕的空泡率和速度場，文章還發(fā)展了新的數(shù)據(jù)處理方式。

綜上所述，雖然國外研究者報道了低溫汽蝕實驗成果，但對云狀汽蝕機理研究遠未發(fā)展成熟。本文基于設計的液氮汽蝕可視化實驗裝置，利用高速攝像機觀察汽蝕產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅以及汽蝕從表面脫落的非穩(wěn)態(tài)過程，基于觀察分析了非穩(wěn)態(tài)汽蝕特性，探討了汽蝕尾部渦流對汽蝕脫落的機理。

3 液氮汽蝕可視化實驗裝置

搭建的液氮汽蝕可視化實驗系統(tǒng)由液氮存儲部分、壓力控制部分、汽蝕可視化部分以及流量測量裝置組成，如圖2所示，所有設備都放置于可移動的平臺上。汽蝕前管路及杜瓦均為真空絕熱結構。實驗裝置難點之一是可視化汽蝕區(qū)玻璃部件和不銹鋼部件的真空密封連接，本試驗臺采用低溫自密封結構。汽蝕文氏管由透明有機玻璃加工制作，兩端為法蘭結構。將一段金屬直管分別插進金屬法蘭和有機玻璃法蘭內(nèi)孔，形成一段套管結構，如圖3所示。室溫時，插進金屬法蘭內(nèi)孔的那部分管段的外徑比金屬法蘭內(nèi)徑稍大，首先將直管段浸入液氮冷卻，由于熱脹冷縮直徑減小后再插入法蘭內(nèi)孔，同時在法蘭內(nèi)壁涂有一層低溫密封硅脂，以達到密封效果。在有機玻璃法蘭一端，常溫下雖然兩者配合不密封，但有機玻璃收縮率是不銹鋼的數(shù)倍，低溫下有機玻璃收縮，兩者形成非常好的密封。這種低溫自密封方式結構簡單，經(jīng)過多次實驗驗證，能夠達到10-3Pa真空度。需要注意的是，此種密封結構對密封面的光潔度有一定要求。實驗裝置另一個難點是可視化文氏管材料的選擇，一般可選擇的材料主要有石英玻璃和有機玻璃。用于低溫可視化實驗時，石英玻璃透明度高，低溫下幾乎無形變，與可伐合金焊接，密封性好，但質脆，不易加工。有機玻璃剛好相反，易加工，定制性好，有一定韌性，但透明度低，低溫下收縮率高，硬度小。本實驗采用有機玻璃制作，透明度可基本滿足可視化要求。金屬法蘭之間采用銅墊密封連接。

圖2 低溫汽蝕可視化實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system of cryogenic cavitation visualization

圖3 可視化實驗部件與管道的連接Fig.3 Connection of visualization parts and pipeline

汽蝕文氏管喉部直徑為2 mm，長度為100 mm，漸擴段傾角為17.06°。實驗過程真空度保持10-4Pa。實驗開始前，先對杜瓦進行自增壓，同時打開高壓氮氣鋼瓶，并用減壓閥調節(jié)至實驗所需壓力，高壓氮氣直接通入杜瓦內(nèi)。打開調節(jié)閥使液氮流出杜瓦，預冷管路等部件。預冷結束后關閉調節(jié)閥，觀察文氏管入口壓力值，當壓力達到一定值后，液氮實際上處于過冷狀態(tài)，再迅速開啟調節(jié)閥，液氮被壓出通過試驗部件，產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，用高速攝像機采集圖像。

4 試驗結果與分析

實驗過程中背壓為大氣壓。圖4給出了汽蝕周期性形態(tài)變化，此時刻文氏管入口壓力P=0.405 MPa，圖中黑色陰影表示產(chǎn)生的汽蝕區(qū)，顏色越黑，表示氣相含量越大。由伯努利方程可知文氏管喉部有效流通面積減小，速度增大，從而靜壓降低，因此汽蝕首先發(fā)生。這里規(guī)定一個周期內(nèi)汽蝕長度最短時刻為0時刻，t=0 ms時，此時液體中的氣泡數(shù)目還不多，汽蝕長度最短。到下一時刻t=1.0 ms，汽蝕長度有所增加，顏色也逐漸加深，說明相變進一步劇烈。至t=2.0 ms時，顏色最深，此時氣相含量在一個周期內(nèi)達到最高。汽蝕進一步發(fā)展至潰滅階段，如圖4d所示，在潰滅區(qū)由于尾部壓力重新升高，氣泡云消散，依次從尾部成塊脫落，完成一個周期后再次重復上述形態(tài)變化，如圖4e和4f所示，如此往復循環(huán)?？梢钥吹?，汽蝕區(qū)邊界較模糊，并不存在明顯的氣液界面，汽蝕內(nèi)部實際上為氣液共存的混合兩相流，呈云霧狀，這與其他研究者報道的低溫流體類穩(wěn)態(tài)汽蝕實驗現(xiàn)象一致。這是因為來流液體能夠進入低溫流體汽蝕區(qū)內(nèi)部，汽蝕區(qū)蒸汽主要由進入內(nèi)部的液體蒸發(fā)產(chǎn)生。這與其他研究者報道的低溫流體類穩(wěn)態(tài)汽蝕結果一致。由于低溫流體黏性小，流動都是高雷諾數(shù)流動，湍流強度大，氣液界面不存在穩(wěn)定規(guī)則形狀。

圖4 液氮云狀汽蝕非穩(wěn)態(tài)形態(tài)(入口壓力P=0.405 MPa)Fig.4 Unsteady cloud cavitation forms of liquid nitrogen(entrance pressure P=0.405 MPa)

從圖中發(fā)現(xiàn)，汽蝕長度最短為21 mm，遠遠超過喉部，汽蝕現(xiàn)象最強烈的地方不在2mm直徑的喉部區(qū)，而在緊挨著喉部的下游漸擴段核心區(qū)，可見此處壓力最小。但同時，汽蝕并沒有緊貼在壁面上，而是隨主流往下游流動，形成典型的云狀汽蝕(cloud cavitation)。很多數(shù)值研究及實驗已經(jīng)證實［16-18］，云狀汽蝕脫離壁面是由尾部射流引起，即由于逆向壓力梯度，沿著壁面存在從下游到上游的二次射流，如圖5a和5b所示，二次射流像一把“鏟子”，插入到汽蝕區(qū)與壁面之間，一直到文氏管喉部的端部，導致汽蝕出了喉部后整個汽蝕區(qū)脫離壁面。一個有意思的現(xiàn)象是，對比圖5a和5b發(fā)現(xiàn)，二次射流并不是軸對稱的，首先漸擴段上壁面二次射流強度較大，增大了上壁面附近的壓力，迫使汽蝕區(qū)整體偏向下壁面，見圖5a;汽蝕區(qū)與下壁面的靠近，使得下壁面附近的二次射流逐漸發(fā)展超過上壁面，在同樣作用機理下使汽蝕區(qū)整體偏向上壁面，見圖5b。結果，流道中心汽蝕區(qū)除了尾部周期性的脫落外，還存在上下周期性的搖擺現(xiàn)象，經(jīng)觀察，兩者周期不同步，上下?lián)u擺頻率f=50 Hz，遠小于汽蝕尾部脫落頻率f=330 Hz。中心汽蝕區(qū)的上下?lián)u擺，也說明了汽蝕區(qū)與壁面的相互作用是觸發(fā)二次射流的原因，二次射流的發(fā)展導致了汽蝕的脫落。汽蝕區(qū)周期性脫落運動的實質是氣泡周期性的產(chǎn)生、相互作用及尾部重新潰滅，從而產(chǎn)生周期性的壓力和流量波動，以前的研究表明流量波動量相對于總流量較小。壓力的波動導致了汽蝕潰滅區(qū)氣相含量的周期性變化，見圖4d，在高壓處，更多氣體潰滅，導致氣相含量減小，顏色淺;在低壓處，更少氣體潰滅，導致氣相含量相對多，顏色深。

圖5 汽蝕區(qū)上下?lián)u擺現(xiàn)象Fig.5 Swing phenomenon of cavitation zone

隨著文氏管入口壓力(背壓為大氣壓不變)的減小，流速相應減小，汽蝕發(fā)生的劇烈程度減弱。在P=0.312 MPa下，汽蝕尾部脫落頻率變?yōu)?f=250 Hz，平均汽蝕長度減小為22 mm，小于P=0.405 MPa下的32 mm。汽蝕長度在一個周期的變化幅度內(nèi)也減小，在P=0.312 MPa時，汽蝕區(qū)長度最長比最短處長了80%，而在P=0.405 MPa時，汽蝕最長比最短處長了一倍多。圖6給出了P=0.312 MPa下一個周期內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)汽蝕圖像。

圖6 液氮云狀汽蝕非穩(wěn)態(tài)形態(tài)(入口壓力P=0.312 MPa)Fig.6 Unsteady cloud cavitation forms of liquid nitrogen(entrance pressure P=0.312 MPa)

5 結論

設計并搭建了一套低溫流體汽蝕可視化實驗裝置，該裝置采用了低溫自密封結構，密封效果良好，實驗裝置運行穩(wěn)定，借助高速攝像機初步獲得了穩(wěn)定清晰的非穩(wěn)態(tài)云狀汽蝕圖像。發(fā)現(xiàn)液氮汽蝕呈云霧狀，汽蝕區(qū)除了尾部周期性脫離外，在二次射流作用下，還存在中心汽蝕區(qū)上下周期性擺動運動。汽蝕的波動導致壓力和流量波動，壓力的波動進一步導致了汽蝕潰滅區(qū)氣相含量在空間上呈大小周期性排列。當文氏管入口壓力減小時，汽蝕劇烈程度減弱，脫落頻率和汽蝕長度減小。本文研究為下一步進行壓力、溫度等參數(shù)化研究奠定了基礎。

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