時(shí)素果，王國(guó)玉

（1.北京機(jī)電工程研究所，北京100074；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

0 引 言

現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備中一般采用的流體介質(zhì)是常溫水，在產(chǎn)生空化的過程中可以忽略熱力學(xué)效應(yīng)的影響，因此以往研究中很少考慮溫度的影響，直接將空化過程視為絕熱過程。但當(dāng)流體介質(zhì)的溫度較高時(shí)，熱力學(xué)效應(yīng)是不能忽略的，如在火力和核電場(chǎng)中，空化將在300°C的水中發(fā)生；超空泡航行體通氣空泡的氣體是由燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的，其溫度高達(dá)800°C，這時(shí)產(chǎn)生的自然空化也是在高溫條件下發(fā)生的。同時(shí)，發(fā)生空化的流體介質(zhì)不只是水體，在大功率火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中采用液氫和液氧等低溫流體介質(zhì)作為主要的推進(jìn)劑，隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求的提升，使得運(yùn)輸動(dòng)力渦輪泵必須提高功率密度，渦輪泵的轉(zhuǎn)速要達(dá)到4萬轉(zhuǎn)/分以上，在渦輪泵的局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)低壓產(chǎn)生空化，成為渦輪泵設(shè)計(jì)的主要限制條件之一[1]。在上述條件下，熱力學(xué)效應(yīng)將對(duì)空化的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生重大的影響，成為影響空化預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵問題[2]。

早在1961年，Sarosdy 和Acosta[3]發(fā)現(xiàn)了不同流體介質(zhì)空化的區(qū)別，研究結(jié)果表明，水發(fā)生空化時(shí)，空穴界面較清晰，蒸汽含量較大，在相同的情況下，氟利昂中發(fā)生空化，空穴形態(tài)比較模糊。到1969年，Ruggeri 等[4]對(duì)不同的流體介質(zhì)、工作溫度以及環(huán)境下泵的空化流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)了泵在水、液氮和丁烷等流體介質(zhì)中工作時(shí)的空化性能，認(rèn)識(shí)到了熱力學(xué)效應(yīng)在不同流體介質(zhì)和工作條件下的巨大影響。Franc 等[5-6]采用常溫水和低溫物質(zhì)R114 作為流動(dòng)介質(zhì)，觀測(cè)了誘導(dǎo)輪里的空化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于常溫水，在低溫物質(zhì)R114 中，誘導(dǎo)輪葉片上的空化程度有所抑制，泵內(nèi)產(chǎn)生的空穴長(zhǎng)度減小，泵的空化性能改善。但上述的實(shí)驗(yàn)比較側(cè)重于可視化研究，很難用于精準(zhǔn)的定量分析。

由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備的限制，很多學(xué)者開始采用數(shù)值計(jì)算的方法研究空化的熱力學(xué)效應(yīng)。Yuka等[7]采用基于狀態(tài)方程的質(zhì)量傳輸空化模型計(jì)算了繞葉柵的水和液氮的空化流動(dòng)，結(jié)果表明，相對(duì)于水，液氮表現(xiàn)出了更為明顯的熱力學(xué)效應(yīng)。Rapposelli 等[8]采用正壓模型計(jì)算了不同溫度下液氮和液氧中繞對(duì)稱回轉(zhuǎn)體和二維翼型的空化流場(chǎng)，結(jié)果表明，在低溫流體中，熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)空化影響顯著，熱力學(xué)效應(yīng)問題至關(guān)重要。Utturkar等[9]和Tseng等[10]建立了基于界面的空化模型，并根據(jù)低溫流體介質(zhì)對(duì)模型進(jìn)行了修正，通過在全流域求解能量方程并結(jié)合現(xiàn)有的物性參數(shù)研究了熱力學(xué)效應(yīng)，驗(yàn)證了計(jì)算方法及模型的有效性。因此，在上述試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果中雖然觀察到了熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)空化的巨大影響以及不同流體介質(zhì)中空化流動(dòng)的區(qū)別，但是至今為止，并沒有清楚解釋熱力學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生和影響的機(jī)理，以及不同流體介質(zhì)熱力學(xué)效應(yīng)不同的原因。

基于此，本文采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了不同流體介質(zhì)（不同溫度的水體、液氮和液氫）的空化流動(dòng)，分析了熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)空化流動(dòng)的影響機(jī)理，并解釋了不同流體介質(zhì)中熱力學(xué)效應(yīng)影響不同的原因。

1 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法

1.1 基本方程

采用均質(zhì)平衡流模型，則Favre平均的N-S方程為

式中，ρm= ρlαl+ ρv(1- αl)、u和p分別為混合介質(zhì)的密度、速度和壓強(qiáng)，μ和μt分別為混合介質(zhì)的層流和湍流粘性系數(shù)，fv為水蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，L 為汽化潛熱，αl為液相體積分?jǐn)?shù)，下標(biāo)i 和j 分別代表坐標(biāo)方向，能量方程中最后一項(xiàng)為能量源項(xiàng)。

1.2 濾波器模型（FBM）

由Johansen等[11]提出的濾波器湍流模型中，k方程和ε方程仍采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型中的形式，而湍流粘性系數(shù)為

式中，F(xiàn)為濾波函數(shù)，由濾波器尺寸(λ)和湍流長(zhǎng)度比尺的比值大小決定，定義為

在標(biāo)準(zhǔn)k - ε湍流模型中加入濾波函數(shù)后，對(duì)尺度小于濾波器尺寸的湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)k - ε模型模擬，對(duì)尺度大于濾波器尺寸的湍流結(jié)構(gòu)，則采用直接計(jì)算方法求解。由式（4）和（5）可知，當(dāng)湍流尺度較大時(shí)，湍流粘性表達(dá)為

1.3 空化模型

Kubota 等[12]建立的空化模型計(jì)算得到的空化區(qū)域是由當(dāng)?shù)貕毫Q定的，忽略了溫度對(duì)空泡的影響，但由于液體汽化時(shí)吸收汽化潛熱，導(dǎo)致空泡附近液體溫度降低，使得泡內(nèi)和泡外形成一溫度差ΔT，這一溫度差對(duì)氣泡的生長(zhǎng)存在影響。由空化帶來的熱力學(xué)效應(yīng)可以使空化區(qū)的溫度下降0.5～2.5 K，將溫度對(duì)汽泡生長(zhǎng)的影響考慮到空化模型中。

從瞬態(tài)觀點(diǎn)看，任意t時(shí)刻時(shí)的熱流量q為

空泡界面上熱平衡可以表示為

綜合式（7）～（9）得到

將式（10）代入Kubota空化模型的蒸發(fā)和凝結(jié)項(xiàng)，同時(shí)考慮液體中固有的氣體含量，得到修正空化模型的蒸發(fā)和凝結(jié)項(xiàng)，其公式分別為

式中，a為熱擴(kuò)散率（thermal diffusivity），K為熱傳導(dǎo)率（thermal conductivity），L為潛熱，Cp為定壓比熱。

許多實(shí)驗(yàn)表明，湍動(dòng)能對(duì)空化產(chǎn)生重要的影響[13]。上述模型采用文獻(xiàn)[13]中提出的方法來計(jì)算湍動(dòng)能k對(duì)當(dāng)?shù)仄瘔簭?qiáng)的影響：

汽化壓強(qiáng)采用式（14）計(jì)算：

式中，Pv(Tl)、k分別表示當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎簭?qiáng)和流場(chǎng)的當(dāng)?shù)赝膭?dòng)能。

1.4 數(shù)值計(jì)算方法

水體空化流動(dòng)計(jì)算采用Clark-y型水翼，圖1給出了計(jì)算區(qū)域和邊界條件，圖2給出了水翼周圍近壁區(qū)域網(wǎng)格。本文中入口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口，流動(dòng)區(qū)域上下邊界為自由滑移壁面條件，水翼表面采用絕熱、無滑移固壁條件。流動(dòng)參數(shù)均為：攻角α = 8°，空化數(shù)σ∞= 0.8，流速U∞= 7.8 m/s。

圖1 水體空化流動(dòng)計(jì)算區(qū)域和邊界條件Fig.1 The schematic diagram of the dynamic measure system in water cavitation flow

圖2 Clark-y水翼周圍網(wǎng)格Fig.2 Computational grids around the Clark-y hydrofoil

低溫流體液氮和液氫計(jì)算區(qū)域和Hord實(shí)驗(yàn)[14]中一致，圖3給出了翼型的計(jì)算區(qū)域及其邊界條件，邊界條件與Clark-y 型水翼一致。圖4 給出了二維翼型的網(wǎng)格，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)325×70 這套網(wǎng)格與實(shí)驗(yàn)值最接近，具體見圖5。

圖3 低溫流體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格和邊界條件Fig.3 The schematic diagram of the dynamic measure system in cryogenic fluid cavitation flow

圖4 二維翼型周圍網(wǎng)格Fig.4 Computational grids around the hydrofoil

圖5 三種網(wǎng)格計(jì)算壓力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖Fig.5 Comparison between the pressure coefficients of the computations and the experimental data in non-cavitation flows

計(jì)算中的主要無量綱參數(shù)為空化數(shù)σ、壓力系數(shù)Cp，分別定義為

上述方程中，P、P∞、U∞、PV∞和ρl分別為流場(chǎng)當(dāng)?shù)貕簭?qiáng)、進(jìn)口面上的靜壓力、平均速度（速度剖面充分均勻）、無窮遠(yuǎn)處汽化壓力和液體的密度。

2 結(jié)果與討論

為了分析不同流體介質(zhì)空化的熱力學(xué)特性，圖6 給出了在工作溫度范圍內(nèi)水、液氮和液氫液體、蒸汽密度以及飽和蒸汽壓隨溫度變化圖。從圖中可知，隨著流體介質(zhì)工作溫度的不同，物質(zhì)屬性的變化梯度不同；對(duì)于不同流體介質(zhì)，物質(zhì)屬性的變化梯度也不同。

圖6 不同流體介質(zhì)的物質(zhì)屬性Fig.6 Saturation properties of different liquids as a function of temperature

2.1 不同溫度水體的空化熱力學(xué)效應(yīng)

為了說明熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)水體空化流動(dòng)的影響，圖7給出了三種溫度下的水體在空化數(shù)為1.6時(shí)計(jì)算得到的等溫假設(shè)條件（即物質(zhì)屬性為定值）和考慮熱力學(xué)效應(yīng)情況下（即物質(zhì)屬性隨溫度變化而變化）的空穴形態(tài)，圖8給出了相應(yīng)工況下翼型表面上的蒸汽體積分?jǐn)?shù)。

采用空穴長(zhǎng)度的無量綱量來評(píng)價(jià)由于熱力學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致的空穴長(zhǎng)度變化，無量綱公式為(Lcav,iso-Lcav,thermal)／Lcav,iso，其中，Lcav,iso為等溫假設(shè)條件下的空穴長(zhǎng)度，Lcav,thermal為考慮熱力學(xué)效應(yīng)情況下的空穴長(zhǎng)度。

圖7 三種溫度下的水體計(jì)算得到等溫條件和考慮熱力學(xué)效應(yīng)情況的空穴形態(tài)（σ=1.6）Fig.7 Comparison among the cavity shapes in water under three temperatures for both the isothermal condition and the condition considering thermal effect(σ=1.6)

由圖7 可知，三種溫度下的水體在等溫假設(shè)情況下空穴長(zhǎng)度基本一致，約為0.24Lc；考慮了熱力學(xué)效應(yīng)后，279 K工況下空穴長(zhǎng)度為0.23Lc，298 K 工況下空穴長(zhǎng)度為0.22Lc，到318 K 時(shí)空穴長(zhǎng)度則為0.2Lc。相對(duì)等溫假設(shè)情況的空穴長(zhǎng)度，279 K工況的空穴長(zhǎng)度縮短率為4.2%，298 K工況的空穴長(zhǎng)度縮短率為8.7%，318 K 工況則為16.6%。由此可知，考慮了熱力學(xué)效應(yīng)以后，空穴區(qū)域減小，長(zhǎng)度減短，隨著溫度的升高，空穴長(zhǎng)度的減短程度增強(qiáng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，蒸汽體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，如圖8所示。

為了闡述產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，圖9給出了相應(yīng)工況下翼型表面壓力系數(shù)曲線，圖10給出了三種溫度下流場(chǎng)的溫度云圖。結(jié)合空穴形態(tài)圖分析發(fā)現(xiàn)，在空穴產(chǎn)生的區(qū)域，溫度和壓力均降低，且蒸汽含量越高，溫降和壓降越大。在研究熱力學(xué)效應(yīng)時(shí)，最大溫降和壓降也是評(píng)價(jià)熱力學(xué)效應(yīng)影響的一個(gè)重要方法。分析溫度流場(chǎng)圖發(fā)現(xiàn)，在279 K、298 K和318 K工況下，最大溫度降低分別為0.3 K、0.5 K和0.8 K，由此可見，隨著溫度升高，最大溫降增大。同時(shí)還統(tǒng)計(jì)了三種溫度下最大壓降，在279 K、298 K 和318 K 工況下，壓降分別為26 Pa、115 Pa、427 Pa，相當(dāng)于無窮遠(yuǎn)飽和蒸汽壓降低百分比分別為2.8%，3.6%和4.5%。由此可知，隨著溫度的升高，壓降增大，且在空穴尾部區(qū)域，壓力梯度變小。結(jié)合空穴形態(tài)圖可知，隨著溫度升高，溫降和壓降增大，熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)空化發(fā)展的影響變大。

圖8 三種溫度下的水體計(jì)算得到翼型表面上的蒸汽體積分?jǐn)?shù)Fig.8 The vapour volume fraction along the surface in water under three temperatures

圖9 三種溫度下的水體計(jì)算得到的翼型表面上的壓力系數(shù)Fig.9 The pressure coefficient along the hydrofoil in water under three temperatures

圖10 三種溫度下的水體計(jì)算得到溫度分布圖Fig.10 The temperature distribution in water under three temperatures

隨著同一流體介質(zhì)水體溫度的升高，空穴區(qū)域及尺寸減小，溫降和壓降變大主要是因?yàn)闇囟炔煌?，物質(zhì)屬性會(huì)發(fā)生較大的變化。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)空化的熱力學(xué)效應(yīng)影響較大的物質(zhì)屬性包括飽和蒸汽壓和液汽密度比。為了更加直觀地分析不同溫度下物質(zhì)屬性的變化，圖11和圖12分別給出了三種溫度下飽和蒸汽壓變化梯度和液汽密度比曲線。首先，隨著溫度的升高，飽和蒸汽壓變化梯度增大，在溫度279 K、298 K 和318 K 工況下的飽和蒸汽壓變化梯度分別為66 Pa/K、193 Pa/K 和501 Pa/K，說明298 K 工況飽和蒸汽壓變化梯度為279 K 工況時(shí)的2.92 倍，318K 工況時(shí)的飽和蒸汽壓是279 K 工況時(shí)的7.59 倍。這就造成在溫度為279 K、298 K 和318 K 工況下，溫降1 K 時(shí)，318 K 工況下壓降最大。其次，隨著溫度的升高，液汽密度比降低。由物質(zhì)屬性可知，溫度為279 K、298 K 和318 K 下的液汽密度比分別為139 068、34 618和11 966，這就導(dǎo)致產(chǎn)生相同尺寸的空穴，318 K工況下的水體需要更多的液體和潛熱，導(dǎo)致更大溫降，當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎航档头仍黾?，從而?dǎo)致流場(chǎng)壓力降低到當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎焊y。這也就說明，隨著溫度的升高，空化的熱力學(xué)效應(yīng)更加顯著。

圖11 三種溫度下飽和蒸汽壓變化梯度Fig.11 The grads of saturation pressure under three temperatures

圖12 三種溫度下液汽密度比Fig.12 The density ratio of liquid/vapour under three temperatures

2.2 液氮的空化熱力學(xué)效應(yīng)

為了研究液氮空化流動(dòng)規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況[14]對(duì)繞二維翼型液氮計(jì)算工況中的流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，具體流動(dòng)參數(shù)見表1。

表1 液氮計(jì)算工況Tab.1 The calculation conditions for nitrogen

對(duì)比2.1 節(jié)中不同溫度的水體在等溫和考慮熱力學(xué)效應(yīng)情況的空穴形態(tài)差別，圖13 給出了液氮在相應(yīng)工況下的空穴形態(tài)圖，發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)效應(yīng)影響更為明顯。在等溫假設(shè)情況下，290C 和296B 工況的空穴長(zhǎng)度分別為0.049 m 和0.052 m，當(dāng)考慮了熱效應(yīng)之后，290C和296B工況的空穴長(zhǎng)度減短，分別為0.023 m 和0.02 m，相對(duì)等溫情況，空穴長(zhǎng)度縮短率為53.1%和61.5%。從圖上可以看出，在等溫情況下對(duì)于290C工況和296B工況，空穴里的蒸汽相含量基本為1，且有一個(gè)清晰的界面，考慮了熱力學(xué)效應(yīng)后，最大蒸汽體積分?jǐn)?shù)分別為0.61和0.67，蒸汽含量降低，導(dǎo)致汽液界面變得模糊。由此可知，氣液界面模糊是由于水蒸汽含量小，這樣較低的蒸汽含量提高了混合區(qū)的密度，導(dǎo)致氣液界面密度的梯度變小。圖13 中還給出了290C 和296B 工況的溫度分布圖，與水體空化流動(dòng)一致，在產(chǎn)生空穴的區(qū)域，溫度降低，蒸汽含量增加，溫降增大，最大的溫降在翼型頭部區(qū)域，溫度從83.1 K降到81.36 K。

圖13 等溫和考慮熱效應(yīng)情況下的空穴形態(tài)Fig.13 The cavity shape under both the isothermal and the thermal effect conditions

圖14給出了兩種工況下計(jì)算得到的溫降和壓降與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，兩者較為一致也說明了計(jì)算方法的有效性。從圖中發(fā)現(xiàn)，在空穴產(chǎn)生的區(qū)域，溫度和壓力均降低。結(jié)合圖13和表1可知，290C 工況中速度和296B 工況中均約為24 m/s，296B 工況中的無窮遠(yuǎn)空化數(shù)（σ∞）比290C 工況中小。在等溫情況下，296B 工況的空穴長(zhǎng)度比290C 工況下長(zhǎng)，但是由于考慮了熱力學(xué)效應(yīng)，296B 工況下空穴長(zhǎng)度反而變短，蒸汽含量降低。這是由于兩個(gè)工況下的溫度變化較大，分別為83.06 K 和88.54 K，物質(zhì)屬性有很大的不同，296B工況工作溫度較接近臨界溫度，故熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)空化影響較大，造成空穴長(zhǎng)度變化程度較大。表2統(tǒng)計(jì)了三種工況下最大溫降和壓降。圖中壓降為無窮遠(yuǎn)處飽和蒸汽壓降低百分比，在290C 工況時(shí)，最大溫降約為2 K，最大壓降為20%，而對(duì)于296B 工況，最大溫降和壓降分別為2.3 K和23%。

圖14 液氮中兩種工況下溫降和壓降計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.14 Comparison of calculated temperature and pressure depressions with the experiment’s results for the nitrogen cases

表2 290C和296B工況最大溫降和壓降Tab.2 The maximum temperature and pressure depression for 290C and 296B cases

2.3 液氫的空化熱力學(xué)效應(yīng)

為了研究液氫中空化流動(dòng)規(guī)律，表3給出了液氫的計(jì)算工況。

表3 液氫計(jì)算工況Tab.3 The calculation conditions for hydrogen

圖15給出了247B工況等溫和考慮熱力學(xué)效應(yīng)情況下的空穴形態(tài)，其中流動(dòng)參數(shù)不變。空穴形態(tài)從等溫假設(shè)情況到考慮熱力學(xué)效應(yīng)情況的變化規(guī)律和不同溫度的水體、液氮的相同。在等溫假設(shè)情況下，空穴長(zhǎng)度為0.053 m，考慮了熱力學(xué)效應(yīng)后，空穴長(zhǎng)度為0.02 m，空穴長(zhǎng)度縮短率為62.3%。由圖還可知，考慮了熱力學(xué)效應(yīng)后，最大蒸汽體積分?jǐn)?shù)為0.56，蒸汽含量比液氮工況中最大蒸汽含量0.6更低。

圖15 247B工況等溫和考慮熱力學(xué)效應(yīng)情況下的空穴形態(tài)Fig.15 The cavity shape for 247B case under both the isothermal and the thermal effect conditions

圖16 液氫中247B工況下溫降和壓降計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.16 Comparison of calculated temperature and pressure depressions with the experiment’s results for 247B case

圖16 給出了247B 工況溫降和壓降與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)溫度和壓力的變化規(guī)律與水體、液氮中的規(guī)律一致，在空穴產(chǎn)生的區(qū)域，壓力和溫度均降低，在翼型頭部區(qū)域最大的溫降為1.18 K，相對(duì)于無窮遠(yuǎn)處飽和蒸汽壓，壓力降低百分比為40.7%。

從上述研究結(jié)果可知，對(duì)三種不同的流體介質(zhì)水體、液氮和液氫，空化熱力學(xué)效應(yīng)影響依次增強(qiáng)；在同一流體介質(zhì)中，流體介質(zhì)的工作溫度越接近物質(zhì)臨界點(diǎn)，空化的熱力學(xué)效應(yīng)越明顯?？栈療崃W(xué)效應(yīng)增強(qiáng)主要表現(xiàn)在，相對(duì)等溫條件下的空穴形態(tài)，空穴長(zhǎng)度的縮短程度更大，蒸汽含量降低較多，汽液界面變得更加模糊，在相同的溫降下，壓降更大。

三種流體介質(zhì)空化熱力學(xué)效應(yīng)影響程度不同，主要是由于物質(zhì)屬性不同，而物質(zhì)屬性中主要影響參數(shù)包括飽和蒸汽壓、液汽密度比和熱傳導(dǎo)系數(shù)。首先，從水體、液氮到液氫，飽和蒸汽壓變化梯度升高，其飽和蒸汽壓變化梯度分別為501 Pa/K、16 000 Pa/K、30 000 Pa/K，液氮和液氫的分別是水體的31.9 倍和59.9 倍，而液氫的僅為液氮的1.88 倍。其次，從水體、液氮到液氫，液汽密度比依次為15 211、95.4、38.8，液氮和液氫的液汽密度比分別為水體的0.006 3 倍和0.002 6 倍，而液氫的是液氮的0.41 倍，這就導(dǎo)致產(chǎn)生相同尺寸空穴，低溫流體需要更多的液體和潛熱。第三，從水體、液氮到液氫，熱傳導(dǎo)系數(shù)依次為0.64、0.13和0.1，熱傳導(dǎo)系數(shù)降低，在相同的熱流量下，低溫流體空化區(qū)域產(chǎn)生溫降更大，由此導(dǎo)致當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎航档头仍黾?，從而?dǎo)致流場(chǎng)壓力降低到當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎焊y。上述三種物質(zhì)參數(shù)的變化趨勢(shì)，導(dǎo)致相對(duì)水體，低溫流體液氮和液氫的空化熱力學(xué)效應(yīng)更加明顯，也因此，相對(duì)液氮，液氫空化的熱力學(xué)效應(yīng)更為顯著。由此可知，物質(zhì)屬性決定了其空化熱力學(xué)效應(yīng)的影響程度。

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了不同溫度的水體、液氮和液氫的空化流動(dòng)，分析了不同介質(zhì)流體空化熱力學(xué)效應(yīng)的影響，可以獲得以下結(jié)論：

（1）對(duì)三種不同的流體介質(zhì)水體、液氮和液氫，空化熱力學(xué)效應(yīng)影響依次增強(qiáng)，在同一流體介質(zhì)中，流體介質(zhì)的工作溫度越接近物質(zhì)臨界點(diǎn)，空化的熱力學(xué)效應(yīng)越明顯；

（2）熱力學(xué)效應(yīng)明顯主要表現(xiàn)在：空穴長(zhǎng)度的縮短程度更大，蒸汽含量降低較多，汽液界面變得更加模糊，在相同的溫降下，壓降更大；

（3）流體介質(zhì)的物質(zhì)屬性決定了熱力學(xué)效應(yīng)的影響程度，物質(zhì)屬性主要影響參數(shù)包括飽和蒸汽壓、液汽密度比和熱傳導(dǎo)系數(shù)，飽和蒸汽壓變化梯度增大，液汽密度比和熱傳導(dǎo)系數(shù)變低，上述三種物質(zhì)屬性的變化趨勢(shì)，導(dǎo)致該流體介質(zhì)或者該工作溫度下的空化熱力學(xué)效應(yīng)較強(qiáng)。