陳家成 * 陳泰然 *, 梁文棟 * 譚樹(shù)林 耿 昊 *

* (北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100081)

? (北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心,重慶 401120)

引言

空化流動(dòng)是高速水動(dòng)力學(xué)研究的核心問(wèn)題,指的是當(dāng)液體局部壓力降低到飽和蒸汽壓以下時(shí),液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟倪^(guò)程[1].空化現(xiàn)象通常發(fā)生在以液體為工質(zhì)的流體機(jī)械中,如液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵,船舶噴水推進(jìn)器和螺旋槳等[2-3],其產(chǎn)生的噪聲[4-6]、壓力脈動(dòng)[7]與空蝕[8-9]嚴(yán)重影響了流體機(jī)械的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)與使用壽命.目前,空化研究大多以常溫水為主要研究對(duì)象[10-12].然而,在航天領(lǐng)域,為了滿(mǎn)足我國(guó)新一代運(yùn)載火箭大推力、高性能、無(wú)毒環(huán)保等要求,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用液氫、液氧等低溫介質(zhì)作為工質(zhì).在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),誘導(dǎo)輪葉片上會(huì)出現(xiàn)低溫介質(zhì)空化現(xiàn)象,嚴(yán)重制約了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵系統(tǒng)水力性能和可靠性的提升[13-14].由于液氫、液氧等低溫介質(zhì)具有液/汽密度比小等獨(dú)特的物質(zhì)屬性,其空化過(guò)程伴隨熱效應(yīng)引起的局部溫度變化往往不能忽略,顯著的溫度變化會(huì)改變當(dāng)?shù)氐奈镔|(zhì)屬性和流動(dòng)參數(shù),進(jìn)而改變空穴結(jié)構(gòu)、脫落和潰滅等空化行為[15-17].因此,揭示低溫介質(zhì)非定?？栈鲃?dòng)的演化過(guò)程,對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性提升具有十分重要的意義[18-19].

試驗(yàn)研究一直是推動(dòng)認(rèn)識(shí)空化流動(dòng)機(jī)理的主要方式.由于低溫介質(zhì)對(duì)試驗(yàn)裝置的耐低溫、密封等性能要求高,對(duì)低溫介質(zhì)開(kāi)展可視化觀(guān)測(cè)遠(yuǎn)比常溫水困難,同樣具有空化熱力學(xué)效應(yīng)的制冷劑、高溫水等作為代替介質(zhì)被大多數(shù)學(xué)者采用.早在1961 年,Sarosdy 和Acosta[20]通過(guò)試驗(yàn)直觀(guān)研究了水和R113 中空化現(xiàn)象的不同,他們發(fā)現(xiàn)R113 的空泡界面模糊,呈“泡沫狀”,而在冷水中空泡清晰透明,呈“透明玻璃狀”.為滿(mǎn)足液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需要,對(duì)低溫介質(zhì)空化流動(dòng)的試驗(yàn)研究多以誘導(dǎo)輪為載體.Franc 等[21-22]通過(guò)試驗(yàn)分析了誘導(dǎo)輪在不同溫度的R114 中的空化流動(dòng),指出溫度顯著影響了附著空穴的生長(zhǎng),且在高溫條件下空化的發(fā)展受到抑制.Cervone 等[23]研究了不同溫度水的誘導(dǎo)輪內(nèi)非定常空化流動(dòng)現(xiàn)象,研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,誘導(dǎo)輪中壓力的非定常脈動(dòng)程度降低,對(duì)應(yīng)的頻譜峰值降低.Watanabe 等[24]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同工況下同一誘導(dǎo)輪內(nèi)的冷水和液氮的空穴形態(tài)存在顯著的差異.Yoshida 等[25-27]以不同溫度液氮為工作介質(zhì),試驗(yàn)研究了誘導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)空化和空化喘振等空化不穩(wěn)定性.試驗(yàn)結(jié)果表明熱力學(xué)效應(yīng)引起空化數(shù)的降低,降低了誘導(dǎo)輪內(nèi)部的空化不穩(wěn)定性.Ito 等[28]對(duì)比了不同溫度水和液氮在誘導(dǎo)輪中空化特征,他們發(fā)現(xiàn)常溫水空化區(qū)整體呈“泡沫”狀,氣泡體積較大;液氮空化區(qū)整體呈“霧”狀,氣泡體積較小.項(xiàng)樂(lè)等[29]開(kāi)展了不同工況條件下的空化流動(dòng)試驗(yàn)獲得了誘導(dǎo)輪從無(wú)空化到揚(yáng)程斷裂整個(gè)過(guò)程流道內(nèi)空穴的回流渦空化、間隙空化等非定?？栈^(guò)程.上述研究主要是工業(yè)部門(mén)針對(duì)航天領(lǐng)域的發(fā)展需求而開(kāi)展,并未對(duì)低溫空化流動(dòng)的演變過(guò)程和特性進(jìn)行較為深入的探討.

近幾年來(lái),由于新能源、航空航天以及超導(dǎo)等高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)栈療崃鲃?dòng)研究的迫切需求,越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始基于水翼、文丘里管等試驗(yàn)手段開(kāi)展相關(guān)低溫空化流動(dòng)機(jī)理研究工作,低溫空泡內(nèi)、外部流動(dòng)及流場(chǎng)特征測(cè)量成為了研究的焦點(diǎn)[30-31].Hord[32-33]最早采用液氮和液氫,在不同尺寸的文丘里管與水翼上進(jìn)行了一系列低溫空化試驗(yàn),全面采集了空穴長(zhǎng)度以及空化區(qū)溫度與壓力的分布.一直以來(lái),該試驗(yàn)數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)低溫介質(zhì)空化流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型和方法提供了校核的依據(jù).Gustavsson 等[34]試驗(yàn)研究了一種典型的熱敏感介質(zhì)氟酮在不同速度和空化數(shù)下繞NACA 0015 水翼的空化流動(dòng),結(jié)果表明隨著溫度的升高存在一個(gè)從經(jīng)典空化流動(dòng)到熱敏空化流動(dòng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程.Dular 等[35-37]研究了熱水在收縮擴(kuò)張流道內(nèi)的空化流動(dòng)現(xiàn)象,通過(guò)高速紅外熱成像法測(cè)量了空穴周?chē)臏囟确植?他指出溫度顯著影響了汽蝕程度,且在60℃左右汽蝕程度達(dá)到最大.Zhu 等[38-39]對(duì)文丘里管內(nèi)的液氮非定?？栈鲃?dòng)進(jìn)行了可視化研究,給出了上下游壓力比、流速和局部聲速對(duì)空化非定常特性的影響.隨后,他們分析了片狀空化與云狀空穴的動(dòng)力學(xué)特性,指出熱力學(xué)效應(yīng)會(huì)延緩片狀空穴向云狀空穴的過(guò)渡.Wei 等[30]基于高速攝像機(jī)和激光多普勒測(cè)速儀研究了收縮擴(kuò)張管內(nèi)液氮空化流動(dòng)大尺度云狀空穴的脫落機(jī)制.Liang 等[31]試驗(yàn)研究不同溫度下收縮擴(kuò)張管道內(nèi)液氮空化流動(dòng),同時(shí)通過(guò)POD 討論了液氮空化流動(dòng)中的熱力學(xué)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)效應(yīng)會(huì)延長(zhǎng)空泡潰滅的時(shí)間.最近,研究發(fā)現(xiàn)熱效應(yīng)開(kāi)始顯著影響低溫空化時(shí)存在某一轉(zhuǎn)捩溫度,且空化程度在該階段達(dá)到最大[40-42].Ohira 等[41]采用不同尺寸的收縮擴(kuò)張流道,研究了過(guò)冷液氮空化流動(dòng)的不穩(wěn)定性機(jī)理.他們發(fā)現(xiàn)隨著液氮溫度的降低,空化從連續(xù)模式過(guò)渡道中間模式,最后轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇模式.Chen 等[42]對(duì)收縮擴(kuò)張流道內(nèi)液氮空化流動(dòng)的進(jìn)行了可視化分析,他們指出隨著液氮溫度的升高,空化流動(dòng)動(dòng)力學(xué)行為從慣性模式轉(zhuǎn)變?yōu)闊崦裟Ｊ?兩種模式間的轉(zhuǎn)變過(guò)程為轉(zhuǎn)捩模式,空化程度在轉(zhuǎn)捩模式達(dá)到最大,轉(zhuǎn)捩溫度約為77 K～ 78 K.

在上述研究中,低溫空化流動(dòng)中存在隨溫度變化的流動(dòng)特征轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象開(kāi)始達(dá)成普遍的共識(shí),通常稱(chēng)之為熱轉(zhuǎn)捩模式.然而,對(duì)該模式下不同空化階段空穴的初生、發(fā)展、脫落和潰滅等非定常特性還未開(kāi)展充分的研究.為此,本文在前期研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)試驗(yàn)研究了收縮-擴(kuò)展管道內(nèi)的液氮非定?？栈鲃?dòng),旨在獲得溫度為77 K 左右的液氮在不同空化數(shù)下空化流動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)特性和演化過(guò)程.本文主要研究?jī)?nèi)容包括:(1) 利用高速攝像機(jī)對(duì)液氮空化流型進(jìn)行精細(xì)地捕捉,分析了液氮瞬態(tài)空穴的演化特性;(2) 采用后處理程序[43],定量分析了液氮空化流動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)特性,闡明不同空化數(shù)下非定常特性的演變規(guī)律;(3) 通過(guò)時(shí)空分布圖,明確了不同空化流型下脫落空穴的非穩(wěn)態(tài)發(fā)展過(guò)程.

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 低溫空化測(cè)試平臺(tái)

圖1 給出了低溫空化測(cè)試平臺(tái)的總體示意圖,該試驗(yàn)臺(tái)主要包括:一個(gè)運(yùn)行罐 (容量40 L)、試驗(yàn)段以及一個(gè)收集罐 (容量60 L),試驗(yàn)過(guò)程中可以關(guān)閉所有閥門(mén)增加罐內(nèi)壓力使液氮溫度上升,溫度下降可以通過(guò)真空泵抽壓來(lái)實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,首先將真空泵與真空控制閥相連將真空隔熱層抽真空,且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中真空泵對(duì)試驗(yàn)段的真空層一直抽壓.當(dāng)運(yùn)行罐內(nèi)溫度降低到200 K 以下后,打開(kāi)中間控制閥使液氮在兩罐之間來(lái)回流動(dòng)幾次以保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置被冷卻下來(lái),但是兩罐內(nèi)溫度很難完全保持統(tǒng)一,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以運(yùn)行罐內(nèi)溫度為準(zhǔn)[42].綜合考慮試驗(yàn)平臺(tái)觀(guān)察窗的低溫承壓能力以及液氮的物質(zhì)屬性等因素,表1 列出了以液氮為試驗(yàn)工質(zhì)時(shí),該試驗(yàn)臺(tái)的整體運(yùn)行參數(shù).圖2 給出了收縮擴(kuò)張流道的幾何尺寸與實(shí)物圖.測(cè)試段為一套組裝式的收縮擴(kuò)張流道,總長(zhǎng)為258.2 mm.收縮擴(kuò)張流道主體采用不銹鋼材質(zhì),考慮到低溫條件下的變形管道底部材料為聚四氟乙烯;試驗(yàn)段兩側(cè)開(kāi)有觀(guān)察窗,兩觀(guān)察窗長(zhǎng)度為70 mm,高度為7 mm,采用高透光率石英玻璃,為拍攝提供了良好的基礎(chǔ)條件;流道內(nèi)部寬度為5 mm;77 K 下喉口高度h為2 mm,上游段和下游段的高度為20 mm,本文中流動(dòng)的特征長(zhǎng)度為h.收縮擴(kuò)張流道上游、下游處以及下壁面的絕對(duì)壓力是由絕對(duì)壓力傳感器(Helm Instrument Co,Inc.,范圍為0～ 0.6 MPa,精度為 ±0.1%FS)測(cè)量的,上游絕對(duì)壓力、下游絕對(duì)壓力分別標(biāo)記為pup和pdown;且試驗(yàn)臺(tái)采用Cernox 溫度計(jì)(Lake Shore Cryotronics,Inc.,該溫度計(jì)在77 K 時(shí)精度為 ±16 mK)測(cè)量運(yùn)行罐、收集罐、收縮擴(kuò)張流道上游和下游處溫度,分別標(biāo)記為T(mén)up和Tdown.同時(shí)在流道下游段設(shè)置有渦輪流量計(jì)(Hoffer 流量控制公司,范圍為1.3～ 13.2 L/ min,精度為 ±0.25%)用于檢測(cè)采集液氮流速.用高速攝像機(jī)(Phantom Co,Inc.)捕捉流動(dòng)細(xì)節(jié),試驗(yàn)中高速攝像機(jī)平行于觀(guān)察窗放置在試驗(yàn)段一側(cè),LED 燈(Larson Electronics LLC,160 W-21600 流明)平行于觀(guān)察窗放置在觀(guān)察窗另一側(cè)并與高速攝像機(jī)平行相對(duì),以確保光路的平行[42].除此之外,高速攝像機(jī)配有可變焦微距鏡頭,焦距聚焦于流道中間平面,根據(jù)收縮擴(kuò)張流道尺寸以及空穴長(zhǎng)度將微距鏡頭的空間采集像素設(shè)置為384 × 80,采集頻率設(shè)置為200 000幀每秒,總采集時(shí)間為1 s.

圖1 低溫空化測(cè)試平臺(tái)的總體示意圖(1.運(yùn)行罐2.試驗(yàn)段3.渦輪流量計(jì)4.收集罐5.真空隔熱層6.高速相機(jī)7.LED 燈8.數(shù)據(jù)采集模塊)Fig.1 Schematic of cryogenic cavitation test rig (1.run tank 2.test section 3.turbine flowmeter 4.catch tank 5.vacuum insulation chamber 6.high speed camera 7.LED lamp 8.data collection module)

表1 低溫試驗(yàn)臺(tái)的整體運(yùn)行參數(shù)[42]Table 1 The overall operating parameters of the cryogenic cavitation test rig[42]

圖2 收縮擴(kuò)張流道的示意圖(左)與實(shí)物圖(右)Fig.2 Schematic (left) and physical (right) picture of the converging-diverging (C-D) nozzle

1.2 試驗(yàn)參數(shù)及條件

本文中液氮空化流動(dòng)的強(qiáng)度由空化數(shù)σ和雷諾數(shù)Re來(lái)表征[42],分別定義為

由于試驗(yàn)前收縮擴(kuò)張流道上游溫度Tup和下游溫度Tdown是十分接近的,收縮擴(kuò)張流道喉口溫度Tthroat取Tup和Tdown的平均值.上式中,Uthroat代表收縮擴(kuò)張流道喉嚨處的速度;pdown和pv分別為收縮擴(kuò)張流道下游靜壓和喉口溫度Tthroat的飽和蒸汽壓力.ρl和vl分別代表液氮的密度和運(yùn)動(dòng)黏度;h為喉口高度,取為2 mm.

空化數(shù)σ不確定度和相對(duì)不確定度分別表示為

雷諾數(shù)Re不確定度和相對(duì)不確定度分別表示為

計(jì)算得到空化數(shù)σ和雷諾數(shù)Re的相對(duì)不確定度分別為 ± 3.6%和 ± 1%.

1.3 圖像后處理

當(dāng)液氮在收縮擴(kuò)張流道內(nèi)發(fā)生空化時(shí),空化區(qū)域遮擋平行光路,空穴將以陰影呈現(xiàn),由于流道寬度較小,重疊效應(yīng)可以忽略,二維陰影的變化基本代表宏觀(guān)流過(guò)程,陰影部分越暗代表空化越嚴(yán)重.為了從時(shí)間和空間兩個(gè)維度對(duì)液氮非定常空化流動(dòng)的演化過(guò)程進(jìn)行定量分析,本文基于后處理程序[43]對(duì)試驗(yàn)圖片進(jìn)行灰度批處理.首先,通過(guò)Imread 函數(shù)對(duì)一系列實(shí)驗(yàn)圖片進(jìn)行批處理,讀取出每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值.然后,利用MidGrayPic 函數(shù)基于所得到的灰度參數(shù)創(chuàng)建一個(gè)二維全零矩陣,用于儲(chǔ)存每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值.最終,利用Imwrite 函數(shù)將后處理的灰度矩陣寫(xiě)入到圖像文件中.由高速攝像機(jī)拍攝的所有試驗(yàn)圖片都可以看作成一個(gè)384 × 80 的二維矩陣,矩陣元素為各自像素點(diǎn)的灰度值,數(shù)值范圍為0～ 255,0 對(duì)應(yīng)為黑色,255 對(duì)應(yīng)為白色,將本試驗(yàn)圖像進(jìn)行批處理得到灰度值數(shù)值范圍為0～ 143.

圖3(a)給出了高速攝像機(jī)拍攝得到的試驗(yàn)段無(wú)空化圖片,灰色區(qū)域代表液氮無(wú)空化發(fā)生流動(dòng)狀態(tài),黑色陰影部分為收縮擴(kuò)張流道上下壁面.高速攝像機(jī)捕捉到液氮空化圖像如圖3(b)所示,一個(gè)附著型空穴可以在圖3(b)中觀(guān)察到,當(dāng)液氮流過(guò)試驗(yàn)段喉口處時(shí),由于速度急劇增加,壓力急劇降低,當(dāng)局部壓力降低到低于來(lái)流溫度的飽和蒸汽壓時(shí),就會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象,形成附著空穴并附著在擴(kuò)張段流道下壁面.圖3(c) 展現(xiàn)了基于后處理程序[43]得到的1 s 內(nèi)空穴的時(shí)均結(jié)構(gòu)圖,圖中藍(lán)色實(shí)線(xiàn)為空穴外圍輪廓,兩條紅線(xiàn)虛線(xiàn)之間的距離為空穴長(zhǎng)度的時(shí)均值,左邊的紅色虛線(xiàn)位于喉嚨的位置,右側(cè)紅色虛線(xiàn)的位置取決于空腔的輪廓線(xiàn).

圖3 高速攝像機(jī)采集的試驗(yàn)圖像與時(shí)均空穴結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Typical flow visualization captured camera and time-averaged cavity images

為了得到實(shí)際空穴面積,利用后處理程序[43],將原始試驗(yàn)圖像背景處理為白色,同時(shí)對(duì)流道的無(wú)空化區(qū)進(jìn)行灰度處理,并且移除收縮擴(kuò)張流道上下壁面,得到只包含空穴的灰度圖像.圖4 給出了典型液氮空化流動(dòng)可視化圖像及圖像處理步驟.為保證小尺度空穴在后處理過(guò)程中不被過(guò)濾掉,經(jīng)過(guò)多次的驗(yàn)證最終選取灰度值等于100 作為閾值,即當(dāng)像素點(diǎn)的灰度值大于100 時(shí)將該像素點(diǎn)的灰度值設(shè)定為255 即顯示為白色,當(dāng)像素點(diǎn)的灰度值小于100時(shí)該像素點(diǎn)的灰度值不變,通過(guò)計(jì)算流域內(nèi)具有非白色灰度值的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),再乘以像素點(diǎn)的空間分辨率即可得到空穴的實(shí)際面積.

圖4 典型液氮空化流動(dòng)可視化圖像及圖像處理步驟(黑色陰影為空穴)Fig.4 Images of liquid nitrogen cavitation flow and image processing(black shadow is the cavity)

為將汽相體積分?jǐn)?shù)通過(guò)灰度值歸一化表征,將圖像灰度值表示為

其中,G(x,y) 代表試驗(yàn)圖片像素點(diǎn)(x,y) 的灰度值,G(x,y)數(shù)值范圍為0～ 143,g(x,y)的數(shù)值范圍為0～0.56,g(x,y)的值越小意味著汽相體積分?jǐn)?shù)越高.為了進(jìn)一步分析分離空穴的脫落機(jī)制與潰滅機(jī)理等非定常特征,可以對(duì)某一時(shí)間段內(nèi)的試驗(yàn)圖片進(jìn)行灰度批處理,得到該工況下在選定直線(xiàn)上的灰度值隨時(shí)間與空間的分布.圖5 展示了試驗(yàn)圖像沿直線(xiàn)Line1,Line2 與Line3 的灰度分布得到的時(shí)空分布結(jié)果.選定三條線(xiàn)的起始位置均在喉口附近,Line1 緊貼流道下壁面用于捕捉由逆壓梯度產(chǎn)生的回射流;Line2 位于上、下壁面之間用于捕捉下附著空穴與下脫落空穴;Line3 平行于上壁面用于捕捉上附著空穴與上脫落空穴.黑色虛線(xiàn)和紅色折線(xiàn)圖表示該工況在t0+7.5 ms 時(shí)選定三條直線(xiàn)上的灰度值隨時(shí)間的變化,可以觀(guān)察到此時(shí)上下脫落空穴都處于分離狀態(tài),但靠近喉口的附著空穴保持相對(duì)穩(wěn)定,對(duì)每個(gè)時(shí)刻進(jìn)行相同的處理就能夠得到時(shí)空分布的結(jié)果.

圖5 空穴圖像沿選定的三條線(xiàn)上的灰度分布得到的時(shí)空處理結(jié)果Fig.5 Spatio-temporal processing results obtained by analyzing grayscale distribution along the selected three lines on the cavity image

2 結(jié)果與討論

2.1 液氮空化流動(dòng)中典型的空化流型

圖6 展示了喉口溫度Tthroat≈ 77 K 液氮空穴在1 s 內(nèi)的長(zhǎng)度lcavity的時(shí)均值隨空化數(shù)σ的變化.其中,橫坐標(biāo)軸、縱坐標(biāo)軸分別代表空化數(shù)與時(shí)均空穴長(zhǎng)度.圖中還包括了 Liang 等[31]報(bào)道的Tthroat≈77 K 下收縮擴(kuò)張管道內(nèi)液氮空化流動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù).由圖可知,時(shí)均空穴長(zhǎng)度隨空化數(shù)的變化趨勢(shì)和Liang 等[31]的試驗(yàn)結(jié)果基本一致,從無(wú)空化流動(dòng)向有空化流動(dòng)轉(zhuǎn)變的臨界空化數(shù)為0.7.當(dāng)空化數(shù)在0.3～ 0.7 之間時(shí),空穴長(zhǎng)度隨空化的降低緩慢增加.當(dāng)空化數(shù)小于0.3 時(shí),空穴長(zhǎng)度隨空化數(shù)的降低急劇上升.根據(jù)空穴長(zhǎng)度與脫落空穴演化過(guò)程將液氮空化流動(dòng)分成了四種典型的空化流型:初生空化、片狀空化、大尺度云狀空化和雙云狀空化,分別用黃色、藍(lán)色、灰色以及綠色的實(shí)心點(diǎn)表示.同時(shí),圖中給出了四種典型空化流型的時(shí)均結(jié)構(gòu)圖以及典型時(shí)刻的空穴形態(tài).對(duì)于初生空化,空穴長(zhǎng)度最短,通常在2.5h以?xún)?nèi);隨空化數(shù)的降低,空化流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺羁栈?空穴長(zhǎng)度在2.5h～ 7.5h之間;隨空化數(shù)的進(jìn)一步降低,空化流動(dòng)型態(tài)為大尺度云狀空化,空穴長(zhǎng)度在7.5h～ 15h之間,且相比于初生空化與片狀空化,大尺度云狀空穴具有明顯的回射流現(xiàn)象和大尺度脫落空穴結(jié)構(gòu).初生空化、片狀空化與大尺度云狀空化均只在流道擴(kuò)張段下壁面產(chǎn)生空穴,當(dāng)流道上壁面發(fā)生空化并伴有空穴脫落時(shí),空化流動(dòng)為雙云狀空化,空穴長(zhǎng)度超過(guò)了15h.

圖6 空穴長(zhǎng)度時(shí)均值隨空化數(shù)σ 的變化(Tthroat ≈ 77 K)Fig.6 The variations of time-averaged cavity lengths with cavitation number σ (Tthroat ≈ 77 K)

本文選取了四個(gè)典型的試驗(yàn)工況Case1～ Case4進(jìn)行深入地對(duì)比分析,表2 列出了所選四個(gè)工況Case1～ Case4 的試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果.Case1～Case4 分別代表了典型的初生空化、片狀空化、大尺度云狀空化和雙云狀空化.同時(shí),Case1～ Case4 的雷諾數(shù)Re相似,約為 1.57 × 105,空化數(shù)σ分別為0.58,0.39,0.18 以及0.11,試驗(yàn)中和溫度有關(guān)的物質(zhì)屬性參數(shù)均從NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)得到[44].

為了進(jìn)一步分析不同空化數(shù)下液氮空穴的演化過(guò)程,圖7 給出了Case1～ Case4 在一個(gè)準(zhǔn)周期內(nèi)液氮空化的演化過(guò)程及流動(dòng)細(xì)節(jié),將一個(gè)周期平均分為6 個(gè)時(shí)刻,時(shí)間間隔為0.2tcycle,起始時(shí)刻t0的空穴面積為該周期最小,需要注意的是對(duì)于不同工況準(zhǔn)周期的時(shí)間是不同的.Case1 瞬態(tài)試驗(yàn)圖像如圖7(a)所示,t0時(shí)刻在喉口附近觀(guān)察到空穴附著在流道下壁面,表明空化已經(jīng)發(fā)生.t0+0.4tcycle時(shí)刻附著空穴開(kāi)始增長(zhǎng)并在空穴尾部伴有小尺度空穴的脫落,在t0+0.6tcycle時(shí)刻該小尺度空穴已經(jīng)完全與附著空穴分離.相比于Case1,Case2 的整體空穴長(zhǎng)度增大,由表2 可知,Case2 附著空穴長(zhǎng)度的時(shí)均值約為Case1 的2.55 倍.t0+0.2tcycle～t0+0.8tcycle時(shí)刻給出了一個(gè)空穴分離的演變過(guò)程,包含空穴的生長(zhǎng)、脫落和潰滅.對(duì)比圖8(b)和圖8(c)可知,Case3 與Case2 的空穴演變過(guò)程相似.與Case2 相比,Case3 空穴的整體長(zhǎng)度增大,脫落空穴轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叨仍茽羁昭?空穴分離位置也更加遠(yuǎn)離喉口,并在t0+0.4tcycle時(shí)刻觀(guān)察到空穴尾部與流道下壁面之間存在一個(gè)明顯的縫隙.在t0+0.6tcycle時(shí)刻脫落空穴與附著空穴完全分離,此時(shí)空穴面積達(dá)到最大值.

表2 所選工況的試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental conditions and results in selected cases

相比于Case1～ Case3,Case4 的空化演化過(guò)程存在明顯的不同.如圖7(d)所示,在流道擴(kuò)張段上下壁面同時(shí)形成了附著空穴,且在上下附著空穴尾部都伴有空穴的脫落.為進(jìn)一步探索雙云狀空化中上附著空穴以及上下脫落空穴的形成機(jī)理及演變過(guò)程,將t0～t0+0.2tcycle等分成4 份,圖8 列出了每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)圖像.圖中藍(lán)色實(shí)心箭頭表示液氮自由流方向;灰色實(shí)線(xiàn)表示流道下壁面;黃色虛線(xiàn)用于跟蹤上壁面空穴演變過(guò)程;紅色虛線(xiàn)框內(nèi)為上下脫落空穴的演變過(guò)程.t0時(shí)刻,在流道下壁面脫落空穴與附著空穴分離后并未立即潰滅,該脫落空穴使流通面積急劇減小,喉口流速增大使得上壁面附近的液氮局部壓力降低,在流道上壁面形成附著空穴,該上附著空穴的初生位置位于下脫落空穴的后方.t0+0.05tcycle時(shí)刻,上附著空穴的尺度有所增大.t0+0.1tcycle時(shí)刻,流道上下壁面同時(shí)產(chǎn)生脫落空穴.由于近壁區(qū)域速度較低為低速區(qū)而主流區(qū)為高速區(qū),上、下脫落空穴分別沿逆時(shí)針和順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn).t0+0.1tcycle～t0+0.2tcycle時(shí)刻展示了上、下脫落空穴的形成、分離與潰滅過(guò)程.通過(guò)對(duì)上述四種空化流動(dòng)一個(gè)準(zhǔn)周期內(nèi)典型時(shí)刻的空化流型分析可以發(fā)現(xiàn),在t0+0.6tcycle時(shí)刻左右空化面積達(dá)到一個(gè)周期內(nèi)的最大值.這表明空化潰滅所需的時(shí)間要少于空穴增長(zhǎng)所需的時(shí)間.值得注意的是,在整個(gè)液氮非定?？栈鲃?dòng)周期內(nèi),下附著空穴靠近喉口部分的核心區(qū)域始終保持穩(wěn)定狀態(tài),并伴隨著尾部空穴的分離和潰滅現(xiàn)象,這種非定常流動(dòng)過(guò)程稱(chēng)之為部分脫落模式,此時(shí)空化流動(dòng)的非定常特性主要取決于脫落空穴的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程.

圖7 一個(gè)準(zhǔn)周期內(nèi)空穴形態(tài)的演化過(guò)程(Case1～ Case4,Tthroat ≈ 77 K)Fig.7 Evolution of cavitating flow during a quasi-cycle (Case1～ Case4,Tthroat ≈ 77 K)

圖8 雙云狀空化中上附著空穴的演變過(guò)程Fig.8 Evolution of the upper attached cavity in double cloud cavity

2.2 液氮空化流動(dòng)的非定常特性

為了定量分析液氮空化流動(dòng)的非定常特性,圖9 展示了Case1～ Case4 空穴面積在60 ms 內(nèi)隨時(shí)間的演化過(guò)程及FFT 頻率分析結(jié)果.圖中空穴面積隨時(shí)間的發(fā)展沿其平均值線(xiàn)上下的波動(dòng),反映了收縮擴(kuò)張流道內(nèi)液氮空化流動(dòng)的準(zhǔn)周期性演變特征.這種顯著波動(dòng)的準(zhǔn)周期tcycle隨空化數(shù)的降低而增加,根據(jù)FFT 頻率分析Case1～ Case4 的準(zhǔn)周期分別約為1.62 ms,3.16 ms,4.00 ms 和5.01 ms.同時(shí)從Case1 到Case4,空穴面積上下波動(dòng)的最大幅值越來(lái)越大.相比于Case1,Case2 中脫落空穴尺度較大,進(jìn)而空穴面積的波動(dòng)幅值也相應(yīng)增大.相比于Case1與Case2,Case3 空穴面積的脈動(dòng)幅值顯著增大,約為12.5h2.盡管Case3 與Case4 的時(shí)均面積接近,但是兩種工況下液氮空化流動(dòng)的演化過(guò)程存在顯著不同.Case4 的面積最大振幅為Case3 的1.6 倍,約為20h2,且Case4 與Case3 的面積脈動(dòng)準(zhǔn)周期tcycle明顯不同,意味著兩種工況下的非定?？栈卣鞔嬖陲@著的差異,在Case4 中堵塞效應(yīng)已經(jīng)對(duì)液氮空化流動(dòng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響.

圖9 空穴面積隨時(shí)間的脈動(dòng)及其平均值(Case1～ Case4)Fig.9 Fluctuation of cavity area with time and its average value(Case1～ Case4)

圖10 給出了空穴面積在5 ms 內(nèi)隨時(shí)間的演變,起始時(shí)刻t0與圖9 相對(duì)應(yīng).除此之外,為進(jìn)一步驗(yàn)證空化流動(dòng)的非定常特性主要取決于云狀空化的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程,將5 ms 等分成20 份.圖11 展示了t0～t20時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)圖像,圖11(a)～圖11(d)分別代表初生空化、片狀空化、大尺度云狀空化以及雙云狀空空化.圖中彩色虛線(xiàn)用于跟蹤脫落空穴的演化過(guò)程;黃色虛線(xiàn)框用于觀(guān)察圖像中的回射流;白色括號(hào)內(nèi)的數(shù)字代表5 ms 內(nèi)附著空穴脫落的次序.

對(duì)于Case1,在5 ms 內(nèi)可以捕捉到14 個(gè)附著空穴分離脫落的演化過(guò)程,單個(gè)周期平均約為0.39 ms,相鄰兩周期的時(shí)間間隔平均約為0.35 ms.由于一個(gè)周期還未結(jié)束而下一周期已經(jīng)開(kāi)始,一個(gè)完整的空穴脫落周期引起的面積脈動(dòng)并不能與圖11 完全對(duì)應(yīng),但仍然可以在典型時(shí)刻相對(duì)應(yīng).具體來(lái)說(shuō),空穴面積最大值出現(xiàn)在第⑩、第?、第?演化過(guò)程中某一中間時(shí)刻 (t14～t15,t15～t16,t17～t18),面積最小值出現(xiàn)在第⑦、第⑨演化過(guò)程的結(jié)束時(shí)刻(t11,t14).值得注意的是,在14 個(gè)脫落空穴演化過(guò)程中附著空穴始終保持穩(wěn)定.相比于Case1,在5 ms 內(nèi)捕捉到了8 個(gè)附著空穴分離脫落的演化過(guò)程,單個(gè)演化周期和相鄰兩周期的時(shí)間間隔均有所增加,分別平均約為0.91 ms 和0.57 ms.同時(shí),Case2 中附著空穴的整體尺度有所增大但在脫落空穴演化過(guò)程中仍始終保持穩(wěn)定.從圖像中可以觀(guān)察到Case1 與Case2 空穴界面較為清晰,這是由于脫落空穴尺度小、分離后立即潰滅.對(duì)于Case3,附著空穴的整體尺寸進(jìn)一步增大,在5 ms 內(nèi)只能捕捉到4 個(gè)附著空穴分離脫落的演化過(guò)程,其中第②、第③演化過(guò)程展為一個(gè)完整的周期,包含了脫落空穴的形成、分離與潰滅,單個(gè)演化周期平均約為2.75 ms,相鄰兩周期的時(shí)間間隔平均約為1.63 ms.且相比于Case1 與Case2,Case3 中脫落的脫落空穴尺度較大、潰滅時(shí)間變長(zhǎng),使得脫落空穴的汽液界面較為模糊同時(shí)圖10 中Case3 的面積曲線(xiàn)也更加平緩.除此之外,第②、第③演化過(guò)程中分離的大尺度脫落空穴改變了喉口下游處的流通面積,降低了了當(dāng)?shù)亓魉?抑制了空化的發(fā)展,導(dǎo)致第④演化過(guò)程空穴的整體尺度有所減小,但附著空穴靠近喉口的核心部分仍然保持穩(wěn)定.因此,圖9 中Case3 的空穴面積脈動(dòng)的幅值更大.除此之外,在t1～t7時(shí)刻黃色虛線(xiàn)框內(nèi)觀(guān)察到沿流道下壁面向上游推進(jìn)的回射流,該回射流向上游推進(jìn)并最終導(dǎo)致空穴的脫落,但并未觀(guān)察到回射流推進(jìn)到喉口處.

圖10 5 ms 內(nèi)空穴面積隨時(shí)間的變化(起始時(shí)刻t0 為圖9 中的t0+12.5 ms 時(shí)刻)Fig.10 Temporal evolution of cavity area during a period of 5 ms (the starting moment t1 is the t0+12.5 ms moment in Fig.9)

圖11 t0～ t20 時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)空穴圖像(Case1～ Case4)Fig.11 The transient cavity images corresponding to the moments t0～ t20 respectively (Case1～ Case4)

對(duì)于Case4,在圖12(d)中觀(guān)察到了兩種空穴脫落機(jī)制ModeⅠ與ModeⅡ,分別用單線(xiàn)和雙線(xiàn)表示.在Mode Ⅰ發(fā)展過(guò)程中,上附著空穴尺度較小,并未對(duì)下附著空穴脫落造成較大的影響,下附著脫落空穴的演變過(guò)程與Case3 相似,但Mode Ⅰ中脫落空穴的整體尺度進(jìn)一步增大,單個(gè)周期達(dá)到3.25 ms.與此同時(shí),該脫落空穴使堵塞效應(yīng)加強(qiáng),上附著空穴的長(zhǎng)度和厚度均增加,上空穴尺度也相應(yīng)變大,而下附著空穴收到抑制,脫落方式轉(zhuǎn)變?yōu)镸odeⅡ.在ModeⅡ發(fā)展過(guò)程中,在5 ms 內(nèi)捕捉到3 個(gè)演化過(guò)程,其中第①、第②演化過(guò)程展為一個(gè)完整的周期,單個(gè)周期平均約為2.25 ms,相鄰兩周期的時(shí)間間隔平均約為0.88 ms,且在t2～t5,t16～t20時(shí)刻黃色虛線(xiàn)框內(nèi)均觀(guān)察到回射流.綜上所述,部分脫落模式中下壁面的附著空穴始終保持穩(wěn)定脫落空穴的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程主導(dǎo)了液氮空化流動(dòng)的非定常特性.且隨著空化數(shù)的降低:(1) 空穴面積脈動(dòng)的準(zhǔn)周期越來(lái)越長(zhǎng);(2) 附著空穴的整體尺度和脫落空穴的尺度均逐漸增大;(3) 堵塞效應(yīng)對(duì)空化流動(dòng)的影響逐漸增強(qiáng);(4) 空穴面積波動(dòng)幅值越來(lái)越大.

圖12 選定三條直線(xiàn)上灰度強(qiáng)度在30 ms 內(nèi)的時(shí)空分布Fig.12 Spatio-temporal processing results obtained by analyzing grayscale distribution along the selected three lines on the cavity image during 30 ms

2.3 液氮空化流動(dòng)的時(shí)空演變特征

為了從時(shí)間和空間兩個(gè)維度對(duì)液氮不同階段的空化流動(dòng)進(jìn)行定量分析,圖12 展示了Case1～Case4 的空穴沿三條典型位置直線(xiàn)上的歸一化灰度值隨時(shí)間與空間的分布,三條線(xiàn)的位置已在1.3 節(jié)中具體說(shuō)明,總采集時(shí)間為30 ms,起始時(shí)間t0與圖9保持一致,喉口位置如黑色虛線(xiàn)箭頭所示.時(shí)空分布圖的紅色區(qū)域表征體積分?jǐn)?shù)較大的空化區(qū)域,由于潰滅的影響,脫落空穴的氣相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于附著空穴的氣相體積分?jǐn)?shù).圖12 中黑色和黃色虛線(xiàn)框代表一次完整的空化發(fā)展過(guò)程,白色與黑色實(shí)心點(diǎn)分別為上下空穴分離點(diǎn).在之前的試驗(yàn)圖像中可以觀(guān)察到,當(dāng)流道下壁面的空穴造成嚴(yán)重阻塞時(shí),流道上壁面也會(huì)生成附著空穴,Case4 中Line3 清晰地捕捉到了此現(xiàn)象,且上附著空穴的初始生長(zhǎng)位置始終位于從下壁面脫落空穴的后方.由圖可知,Line1 并未在Case1 與Case2 捕捉到明顯的回射流.在Case2 中附著空穴更長(zhǎng),空穴分離點(diǎn)也更加遠(yuǎn)離喉口.對(duì)于Case3,Line1 捕捉到了顯著的回射流,回射流向上游發(fā)展到距離喉口14 mm 左右時(shí),引起尾部空化脫落形成云狀空化.對(duì)于Case4,30 ms 內(nèi)在捕捉到兩種脫落機(jī)制Mode Ⅰ與ModeⅡ,分別用黑色虛線(xiàn)和黃色虛線(xiàn)表示.對(duì)于Mode Ⅰ,Line2 可以捕捉到一個(gè)下空穴開(kāi)始與附著空穴分離,而在同一時(shí)刻Line3 捕捉到一個(gè)上附著空穴開(kāi)始增長(zhǎng);對(duì)于ModeⅡ,在同一時(shí)刻Line2 與Line3 都分別捕捉到脫落空穴與附著空穴發(fā)生分離.由于脫落空穴潰滅時(shí)間進(jìn)一步增長(zhǎng)分離后潰滅為更多的小尺度空泡,空穴界面變得更加模糊,加上空泡的重疊效應(yīng),Line1 無(wú)法清晰地捕捉到向上游推進(jìn)的回射流.然而,在某些時(shí)刻Line1 仍然可以觀(guān)察到回射流的運(yùn)動(dòng).同時(shí)可以觀(guān)察到,Mode Ⅰ與ModeⅡ的下脫落空穴分離點(diǎn)與喉口距離分別約為17.5 mm 和21 mm,因此,Mode Ⅰ中回射流向上游推進(jìn)的更遠(yuǎn),回射流強(qiáng)度更大.

圖12 中黑色虛線(xiàn)框代表脫落空穴分離后的潰滅過(guò)程.將脫落空穴與附著空穴分離到完全潰滅的時(shí)間定義為潰滅時(shí)間用Δtci表示,在Δtci內(nèi)脫落空穴沿x軸的移動(dòng)距離為Δxci,則脫落空穴沿x軸的平均移動(dòng)速度定義為

圖13 給出了統(tǒng)計(jì)與計(jì)算的結(jié)果,脫落空穴沿x軸的移動(dòng)距離Δxci、運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δtci以及平均移動(dòng)速度分別用黑色、紅色、藍(lán)色散點(diǎn)表示,i=1～ 4分別代表Case1～ Case4,用4′,4″分別代表Case4 中兩種脫落機(jī)制ModeⅠ與ModeⅡ.對(duì)于Case1～Case3,脫落空穴沿x軸的平均移動(dòng)速度逐漸減小,Δvc1,Δvc2,Δvc3分別約為11.59 m/s,10.47 m/s與9.23 m/s.相比于Case1～ Case3,Case4兩種空穴脫落模式Mode Ⅰ和ModeⅡ的脫落空穴沿x軸的平均移動(dòng)速度進(jìn)一步減小,分別約為8.16 m/s,7.57 m/s,則Case4 脫落空穴沿x軸的平均移動(dòng)速度為7.865 m/s.由圖13 可知,雖然Mode Ⅰ和ModeⅡ脫落空穴潰滅時(shí)間接近,Δtc4′,Δtc4″分別平均約為1.86 ms 與1.83 ms,但是Mode Ⅰ脫落空穴沿x軸的移動(dòng)距離比ModeⅡ更遠(yuǎn),Δxc4′,Δxc4″分別平均約為15.18 mm 與13.85 mm.因此,相比于ModeⅡ,在Mode Ⅰ發(fā)展過(guò)程脫落空穴沿x軸的移動(dòng)速度更快.綜上所述,從初生空化到雙云狀空化,脫落空穴的移動(dòng)距離和潰滅時(shí)間均逐漸增加,但潰滅速度越來(lái)越小.相比于初生空化,片狀空化、大尺度云狀空化以及雙云狀空化中脫落空穴的移動(dòng)距離依次增加了0.97 倍、2.65 倍與2.68 倍,潰滅時(shí)間依次增加了1.18 倍、3.59 倍與4.47 倍,但潰滅速度依次減小了0.10 倍、0.20 倍與0.30 倍.

圖13 脫落空穴沿x 軸的移動(dòng)距離Δxci、運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δtci 以及平均移動(dòng)速度Δ ci 隨空化數(shù)的分布(i=1～ 4 分別代表Case1～ Case4,用4′,4″分別代表Case4 中兩種脫落機(jī)制Mode Ⅰ與ModeⅡ)Fig.13 Distribution of the distance,the movement time and the average movement velocity of detaching cavities moving along the x-axis with cavitation number (i=1～ 4 represent Case1～ Case4 respectively,4′and 4″ are used to represent the two shedding mechanisms Mode I and Mode II in Case4,respectively)

圖14 展示了不同空化數(shù)下收縮擴(kuò)張管內(nèi)液氮空化流動(dòng)的演化過(guò)程.圖中藍(lán)色實(shí)心箭頭表示自由流方向,灰色陰影表示附著空穴與云狀空,穴陰影中的圓圈表示空穴內(nèi)的小氣泡,兩條黃色虛線(xiàn)之間為脫落空穴的演變過(guò)程,綠色坐標(biāo)軸表示脫落空穴速度方向.脫落空穴漩渦運(yùn)動(dòng)顯著,旋轉(zhuǎn)方向用藍(lán)色或紅色箭頭表示.在附著空穴分離、生長(zhǎng)和潰滅過(guò)程中,附著空穴靠近喉口的核心部分始終保持穩(wěn)定.圖14(a)～圖14(d)分別代表初生空化、片狀空化、大尺度云狀空化以及雙云狀空化.從初生空化到雙云狀空化,脫落空穴沿x軸的平均移動(dòng)速度逐漸減小.

圖14 不同空化流型中脫落空穴脫落的演化過(guò)程Fig.14 Shedding process and mechanism of cloudy cavity in different cavitation flow patterns

具體來(lái)說(shuō),對(duì)于初生空化和片狀空化,脫落空穴界面清晰、空穴尺度小且潰滅時(shí)間短.但在空穴尾部沒(méi)有出現(xiàn)顯著的回射流現(xiàn)象.對(duì)于大尺度云狀空化,回射流是脫落空穴發(fā)生分離的主要誘導(dǎo)因素.由于脫落空穴尺度較大且潰滅時(shí)間較長(zhǎng),空穴的汽液界面變得模糊.對(duì)于雙云狀空化,流道上下壁面同時(shí)產(chǎn)生附著空穴,存在兩種脫落空穴演化機(jī)制Mode Ⅰ與ModeⅡ.在Mode Ⅰ發(fā)展過(guò)程中,上附著空穴尺度較小并未對(duì)下空穴脫落產(chǎn)生影響,脫落空穴的演化過(guò)程基本與大尺度云狀空化保持一致.相比于Mode Ⅰ,ModeⅡ上附著空穴增大,下附著空穴受到抑制,回射流強(qiáng)度減弱,上下同時(shí)產(chǎn)生旋向相反的脫落空穴,二者在向下游發(fā)展的過(guò)程中發(fā)生分離與潰滅.

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了收縮-擴(kuò)展管道內(nèi)的液氮空化流動(dòng)的演化過(guò)程.采用試驗(yàn)的方法研究了寬范圍自由流條件下液氮空化流動(dòng)的非定常特征.深入對(duì)比分析了不同空化流型的空穴結(jié)構(gòu),討論了不同空化流型非定常特性的演變規(guī)律,以及脫落空穴的非定常發(fā)展過(guò)程,尤其重點(diǎn)關(guān)注了雙云狀空化階段的空化發(fā)展及其空穴脫落過(guò)程,得到的主要結(jié)論如下.

(1)液氮非定常流動(dòng)過(guò)程為部分脫落模式,即在整個(gè)液氮非定?？栈鲃?dòng)周期內(nèi),下附著空穴靠近喉口部分的核心區(qū)域始終保持穩(wěn)定狀態(tài),并伴隨著尾部空穴的分離與潰滅.根據(jù)空穴長(zhǎng)度和非定常脫落特性將液氮空化流動(dòng)分成了四種典型的空化流型:初生空化、片狀空化、大尺度云狀空化與雙云狀空化.其中,初生空化空穴長(zhǎng)度最短,通常在2.5h以?xún)?nèi);大尺度脫落空穴階空穴長(zhǎng)度在7.5h～ 15h之間,此時(shí)回射流成為了脫落空穴發(fā)生分離的主要誘導(dǎo)因素.對(duì)于雙云狀空化,流道上下壁面同時(shí)發(fā)生空化,并伴有上下空穴脫落,空穴長(zhǎng)度超過(guò)了15h.

(2)從初生空化到雙云狀空化,液氮空化流動(dòng)的空穴面積脈動(dòng)的準(zhǔn)周期越來(lái)越長(zhǎng).空化流動(dòng)的非定常特性主要取決于尾部脫落空化的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程.同時(shí),隨著空化數(shù)的降低,脫落空穴的尺度逐漸增大,堵塞效應(yīng)對(duì)空化流動(dòng)的影響逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致空穴面積波動(dòng)幅值越來(lái)越大,脫落空穴的汽液界面也變得模糊.

(3)從初生空化到雙云狀空化,脫落空穴的移動(dòng)距離和潰滅時(shí)間均逐漸增加,但潰滅速度越來(lái)越小.相比于初生空化,片狀空化、大尺度云狀空化以及雙云狀空化中脫落空穴的移動(dòng)距離依次增加了0.97 倍、2.65 倍與2.68 倍,潰滅時(shí)間依次增加了1.18 倍、3.59 倍與4.47 倍,但潰滅速度依次減小了0.10 倍、0.20 倍與0.30 倍.在大尺度云狀空化與雙云狀空化中均捕捉到回射流現(xiàn)象.對(duì)于雙云狀空化,存在兩種明顯不同空穴脫落機(jī)制Mode Ⅰ與ModeⅡ.在ModeⅠ發(fā)展過(guò)程中,上附著空穴尺度較小并未對(duì)下空穴脫落產(chǎn)生影響,脫落空穴的演化過(guò)程基本與大尺度云狀空化保持一致.在ModeⅡ發(fā)展過(guò)程中,上附著空穴的整體尺寸有所增大,下附著空穴尾部的回射流強(qiáng)度減弱,上下壁面同時(shí)產(chǎn)生旋向相反的脫落空穴.