魏海鵬,張 晶,張瑞明,劉元清,劉濤濤,呂亞飛
(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076;2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100081)
通過(guò)改變水下航行體近壁面流動(dòng)狀態(tài)以獲得預(yù)期的力學(xué)效應(yīng),是一種從水動(dòng)力源頭提高航行體性能的先進(jìn)技術(shù)手段。近年來(lái),利用近壁面多孔排氣調(diào)節(jié)航行體表面流動(dòng)狀態(tài)的新技術(shù)愈發(fā)受到工程技術(shù)人員的重視[1]。由于水下航行體近壁面多孔排氣射流與主流場(chǎng)相互作用復(fù)雜,關(guān)于近壁面多孔排氣兩相流的相關(guān)研究成果較少,已有研究主要聚焦在典型橫流環(huán)境中的射流流動(dòng)問(wèn)題(JICF)和水下航行體大尺度空泡多相流演化及流體動(dòng)力研究。Kamotani等[2]詳細(xì)描述了孔口下游流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征,首次提出反旋轉(zhuǎn)渦對(duì)(CVP)的概念并指出該渦對(duì)是構(gòu)成下游流場(chǎng)的主要結(jié)構(gòu)。Fraticelil 等[3]、Margason[4]、Fric 等[5]對(duì)射流中涉及的復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和完善,指出流場(chǎng)中主要包含反向渦對(duì)、馬蹄渦及尾跡渦等三種渦系結(jié)構(gòu),射流表面的環(huán)狀剪切層渦與反向渦對(duì)共同決定了流場(chǎng)的主要特征,射流中出現(xiàn)的大尺度擬序結(jié)構(gòu)在湍流形成、卷吸和摻混過(guò)程中起主導(dǎo)作用。在氣液兩相流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究方面,付細(xì)能等[6]結(jié)合PIV 系統(tǒng)與高速全流場(chǎng)顯示技術(shù),觀測(cè)了平板表面通氣流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變通氣量和流速分析了通氣率和雷諾數(shù)對(duì)氣液兩相流的影響。張宇文等[7]、袁緒龍等[8]開(kāi)展了航行體通氣空泡流的實(shí)驗(yàn)研究,分析了通氣空泡的結(jié)構(gòu)形態(tài)、非對(duì)稱(chēng)性、穩(wěn)定性、重力效應(yīng)及航行體頭型對(duì)通氣空泡的影響。本文采用近壁面氣液兩相流全流場(chǎng)顯示技術(shù)結(jié)合多相流PIV 技術(shù),對(duì)近壁面多孔排氣泡狀流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析流動(dòng)參數(shù)和主流的加減速狀態(tài)對(duì)泡狀流摻混融合特性的影響。
實(shí)驗(yàn)研究基于高速水洞開(kāi)展,圖1為該水洞示意圖,水洞主要由進(jìn)水管、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)散段、彎管段和回水管六部分組成,其中實(shí)驗(yàn)段尺寸為700 mm×70 mm×190 mm。表1 給出了該水洞穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的基本性能參數(shù),其中最大流速可達(dá)到20 m/s,空化數(shù)最小為0.30,湍流強(qiáng)度分布均勻。
圖1 水洞示意圖Fig.1 Schematic diagram of water tunnel
表1 水洞基本性能Tab.1 Basic performance of water tunnel
實(shí)驗(yàn)平板模型表面排出的氣體由圖2所示的近壁面通氣系統(tǒng)穩(wěn)定供給,系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、壓力控制閥、氣體穩(wěn)壓儲(chǔ)存罐、流量計(jì)及管路組成,且通氣壓力和通氣量均可調(diào)控,其中壓力調(diào)節(jié)范圍為0~1 MPa,通氣量調(diào)節(jié)范圍為0~1500 L/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。實(shí)驗(yàn)時(shí)空氣壓縮機(jī)將壓縮氣體通過(guò)管道輸送到穩(wěn)壓系統(tǒng)的儲(chǔ)存罐中,該系統(tǒng)中的控制元件可以確保壓縮氣體按照設(shè)定流量通入到實(shí)驗(yàn)段模型中,實(shí)驗(yàn)段背側(cè)裝有單向閥門(mén)防止水倒流入穩(wěn)壓系統(tǒng)。
圖2 近壁面通氣系統(tǒng)Fig.2 Near-wall ventilation system
實(shí)驗(yàn)所用多孔平板模型及底座實(shí)物如圖3(a)所示,平板為實(shí)驗(yàn)研究工作段面,長(zhǎng)300 mm,寬68 mm,平板前端沿直線(xiàn)均勻開(kāi)設(shè)直徑(d)為2.6 mm 的圓形通氣孔,孔中心距平板前邊緣60 mm,孔間距為2d,平板安裝在底座中段,底座前后端分別設(shè)有圓弧導(dǎo)流段以防止來(lái)流速度的突變而干擾流動(dòng)。平板背部有用于儲(chǔ)存氣體的儲(chǔ)氣室,穩(wěn)壓系統(tǒng)供給的氣體流入儲(chǔ)氣室再分別從各排氣孔流出,以實(shí)現(xiàn)各排氣孔的均勻出流。為減小重力對(duì)氣泡發(fā)展的影響,將底座通過(guò)螺栓固定在實(shí)驗(yàn)段的頂部,如圖3(b)所示,自平板出流的氣體將在重力作用下保持貼壁發(fā)展,同時(shí)利用高速攝像機(jī)從實(shí)驗(yàn)段底部拍攝得到泡狀流的全流場(chǎng)圖像。
圖3 平板及底座模型Fig.3 Models of the plate and base
依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,精確控制來(lái)流速度隨時(shí)間加減速存在一定困難,因此實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了多種加速度底座模型,通過(guò)改變來(lái)流過(guò)流斷面的面積大小,實(shí)現(xiàn)主流在空間上勻速、加速和減速。如圖4所示,實(shí)驗(yàn)中只需更換相應(yīng)模型底座,就能實(shí)現(xiàn)加速度狀態(tài)的改變,其中加速模型平板安裝段與水平面的夾角為-3°,減速模型平板為1°,根據(jù)連續(xù)性方程及勻變速運(yùn)動(dòng)方程可求得對(duì)應(yīng)的加速度量值分別為:正加速度a=20.4 m/s2和負(fù)加速度a=-3.68 m/s2。
圖4 不同加速度底座模型Fig.4 Different acceleration base models
圖5為實(shí)驗(yàn)所用高速攝像系統(tǒng),主要由作為光源的鏑燈(功率均為1 kW)、用來(lái)記錄瞬時(shí)流場(chǎng)圖像的高速像機(jī)以及實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)圖像的PC組成。其中高速像機(jī)的記錄速度最高可達(dá)100,000幀/秒,可滿(mǎn)足多相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究的需要。
圖5 高速攝像系統(tǒng)Fig.5 High-speed camera system
為了從高速相機(jī)拍攝的全流場(chǎng)圖像中準(zhǔn)確提取泡狀流輪廓進(jìn)而獲取氣泡面積,圖6 給出了研究中開(kāi)發(fā)的泡狀流流場(chǎng)圖像處理系統(tǒng)的流程圖。針對(duì)水下近壁面多孔排氣泡狀流圖像的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)圖像幀的預(yù)處理降噪及圖像分析的批處理。圖7給出了應(yīng)用該系統(tǒng)提取出的泡狀流輪廓識(shí)別效果圖。該系統(tǒng)可以清晰準(zhǔn)確地提取出泡狀流的外輪廓,用于獲取各時(shí)刻氣泡所占總面積。
圖6 流場(chǎng)圖像處理系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow chart of flow image processing system
圖7 泡狀流輪廓提取Fig.7 Extraction of bubbly flow profile
圖8為近壁面氣液兩相流PIV系統(tǒng)示意圖及設(shè)備實(shí)物,其基本組成包括相機(jī)、激光器、激光脈沖同步器、光路系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等??紤]到多孔泡狀流動(dòng)具有顯著的非定常特性,配合連續(xù)激光(波長(zhǎng)為523 nm),用激光器轉(zhuǎn)換出的片光源照亮流場(chǎng)中的粒子,通過(guò)合理調(diào)整相機(jī)光圈以清晰記錄圖像?;谡粓D像變換和標(biāo)準(zhǔn)互相關(guān)運(yùn)算獲得瞬態(tài)速度矢量場(chǎng),進(jìn)而通過(guò)后處理軟件得到氣液兩相流速度場(chǎng)與渦量場(chǎng)等流場(chǎng)信息。針對(duì)近壁面強(qiáng)反光、氣泡界面光線(xiàn)折射的問(wèn)題,研究中采用表面熒光鍍膜技術(shù)及氣泡界面圖像修正方法,利用反射光波長(zhǎng)的差異和激光折射規(guī)律有效避免對(duì)流場(chǎng)中示蹤粒子的圖像造成干擾。對(duì)于示蹤粒子的選擇,除了在流場(chǎng)中布撒空心玻璃珠外,同時(shí)將霧狀示蹤粒子隨同射流氣體一起通入流場(chǎng)中,從而實(shí)現(xiàn)多孔泡狀流內(nèi)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的精細(xì)化測(cè)量。
圖8 近壁面兩相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)PIV系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of PIV of two-phase flow structure near the wall
水下近壁面排氣泡狀流的特征流型與流動(dòng)參數(shù)、通氣狀態(tài)密切相關(guān)。圖9 展示了不同流型的兩相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖像,各流型的氣泡輪廓擴(kuò)張角明顯不同。當(dāng)通氣率較小時(shí),氣體自孔口出流后逐漸斷裂成離散的、短小的單一細(xì)泡,持續(xù)向下游漂移,表現(xiàn)為典型的細(xì)泡狀流型。隨著通氣率的增大,流束逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)條狀、連續(xù)透明狀、透明泡狀,且氣泡輪廓擴(kuò)張角也逐漸增大。當(dāng)液相主流速度較大時(shí),通入的氣體將在液相壓力及沖擊作用下呈現(xiàn)為泡沫狀,在通氣率較大時(shí)則表現(xiàn)為連續(xù)泡沫狀流型。
圖9 近壁面泡狀流特征流型Fig.9 Characteristic flow pattern of near-wall bubbly flow
水下近壁面多孔泡狀流動(dòng)形成的排氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以“離散氣泡橫向擴(kuò)散、界面間距減小并逐漸形成融合氣泡覆蓋壁面”的演化過(guò)程為主要特征,可根據(jù)氣泡膨脹程度、氣泡輪廓擴(kuò)張角及相鄰流束間距等特征將上述六種流型分為三類(lèi)流態(tài)。如圖10(a)所示,氣體自排氣孔出流后,在液相壓力、摩擦力及重力作用下,互不干擾地貼附在壁面,向下游彎曲呈離散“辮狀流”發(fā)展,氣泡逐漸膨脹向周向運(yùn)動(dòng),但其膨脹程度較小,氣泡輪廓擴(kuò)張角較小,流束間距較大,由離散的多個(gè)短小氣泡組成,其中包括細(xì)泡狀、細(xì)條狀、及泡沫狀流型,表現(xiàn)為典型的未融合流態(tài);如圖10(b)所示,在一定的流動(dòng)參數(shù)作用下,呈連續(xù)透明狀的離散“辮狀流束”的氣泡寬度沿橫向明顯增大,氣泡邊緣開(kāi)始發(fā)生接觸但仍未形成融合,平板尾部開(kāi)始出現(xiàn)部分氣泡的摻混,表現(xiàn)為臨界融合流態(tài);如圖10(c)所示,當(dāng)通氣率較大、歐拉數(shù)較小時(shí),氣泡的膨脹程度較大并發(fā)生相互作用形成摻混的片狀連續(xù)氣層,水氣界面發(fā)生劇烈波動(dòng)呈不規(guī)則形狀,流束間的區(qū)域被氣泡覆蓋,透明泡狀和連續(xù)泡沫狀流型均表現(xiàn)為融合流態(tài)。
圖10 多孔泡狀流態(tài)分類(lèi)Fig.10 Flow regime classification of porous bubbly flow
為了研究多孔排氣泡狀流氣泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu),分析通入氣體與主流的相互作用關(guān)系,采用PIV 技術(shù)對(duì)瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)后處理獲取渦量場(chǎng)分布。圖11為典型流型的PIV流場(chǎng)粒子圖像及其對(duì)應(yīng)的時(shí)均渦量分布圖,其中渦量場(chǎng)具體截面位于通氣平板對(duì)稱(chēng)軸處。由圖可知隨著通氣率的增大,氣泡流型由細(xì)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)透明狀,渦量場(chǎng)可以分為兩個(gè)區(qū)域:一為主流區(qū),氣泡對(duì)其渦量影響較小,渦量分布較為均勻;二為近壁區(qū),被大量的氣泡附著。由于氣泡尾部快速向其內(nèi)部收縮造成自身逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),進(jìn)而形成正向渦量。隨著通氣率的增大,氣液界面脈動(dòng)增強(qiáng),速度梯度變大,氣體射流與液相橫流相互作用形成復(fù)雜旋渦結(jié)構(gòu)并伴隨有渦量交換。
圖11 PIV圖像及其渦量場(chǎng)Fig.11 PIV image and its vorticity field
通氣量、環(huán)境壓力等流動(dòng)參數(shù)均會(huì)對(duì)氣泡束的膨脹和氣液界面的相互作用產(chǎn)生影響,進(jìn)而改變泡狀流的摻混融合特性。圖12給出了主流在勻速來(lái)流條件下,多孔泡狀流在不同流動(dòng)參數(shù)下的摻混融合特性圖譜,橫坐標(biāo)為歐拉數(shù)(Eu=p/ρU2∞),縱坐標(biāo)為通氣率(Qv=Qin/U∞A),其中,Qin表示一個(gè)大氣壓下的全部通氣量,U∞表示平板上方的來(lái)流速度,A表示通氣孔面積,p和ρ表示試驗(yàn)段環(huán)境壓力和水的密度。紅色曲線(xiàn)是泡狀流融合區(qū)域與未融合區(qū)域的分界線(xiàn)。由圖可知,當(dāng)歐拉數(shù)一定時(shí),隨著通氣率的增大,泡狀流將從未融合狀態(tài)過(guò)渡到融合狀態(tài);當(dāng)通氣率一定時(shí),隨著歐拉數(shù)的減小,泡狀流由未融合狀態(tài)逐漸向融合狀態(tài)轉(zhuǎn)變;融合工況集中分布在融合分界線(xiàn)的左上側(cè)。
圖12 流動(dòng)參數(shù)對(duì)泡狀流摻混融合特性的影響圖譜Fig.12 Influence of flow parameters on the fusion characteristics of bubbly flow
圖13 給出了不同通氣率條件下,流場(chǎng)圖像及對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱氣泡面積在1 s內(nèi)隨時(shí)間的演變,圖中曲線(xiàn)上各點(diǎn)代表對(duì)應(yīng)時(shí)刻的無(wú)量綱氣泡面積,黑色水平直線(xiàn)為其時(shí)均值。由流場(chǎng)圖像可知,當(dāng)Qv=0.060時(shí),不同“辮狀流束”之間互不干涉,穩(wěn)定向下游發(fā)展;當(dāng)Qv=0.075時(shí),隨著通氣率的增大,單位時(shí)間內(nèi)自通氣孔出流的氣體增多,離散“辮狀流束”氣泡寬度不斷增加,氣泡初始摻混位置在流向距離上明顯縮短,氣泡邊緣開(kāi)始發(fā)生接觸但仍未形成融合;直至Qv=0.090,相互接觸的氣層邊緣相互作用發(fā)生摻混,流束間由單連通區(qū)域變?yōu)檫B通區(qū)域,形成穩(wěn)定氣泡覆蓋在平板表面。由氣泡面積曲線(xiàn)圖可知,在當(dāng)前歐拉數(shù)下,氣泡面積時(shí)均值隨通氣率的增大也呈不斷增大的趨勢(shì),氣泡面積值隨時(shí)間產(chǎn)生較大波動(dòng),且波動(dòng)幅度隨通氣率的增大而更加劇烈,進(jìn)一步說(shuō)明了氣泡的不穩(wěn)定性及氣泡脫落的非定常特性。
圖13 氣泡面積隨通氣率的變化Fig.13 Variation of bubble area with ventilation rate
圖14 給出了不同歐拉數(shù)條件下的流場(chǎng)圖像及無(wú)量綱氣泡面積演變情況。流場(chǎng)圖像隨歐拉數(shù)的減小表現(xiàn)為從不融合到臨界融合、再到融合的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)Eu=6.263 時(shí),氣泡寬度較小,流束間距較大且保持橫向擴(kuò)展向下游發(fā)展,但直至平板尾部氣泡寬度仍小于流束間距,保持離散狀態(tài)未發(fā)生融合;隨著歐拉數(shù)的減小,氣泡寬度沿橫向明顯增大,氣泡成帶狀緊貼平板壁面向后發(fā)展,平板尾部開(kāi)始出現(xiàn)部分氣泡的摻混,流束整體處于白色水氣混合狀態(tài);當(dāng)歐拉數(shù)減小至2.693時(shí),氣泡寬度進(jìn)一步增加,流束間距又進(jìn)一步縮小,平板中部就已開(kāi)始形成橫向摻混,連續(xù)氣層一直延伸至平板尾部,水氣界面波動(dòng)幅度顯著增大,最終形成大尺度的連通融合氣泡。對(duì)于氣泡區(qū)域面積,由圖可知隨著歐拉數(shù)的減小,氣泡區(qū)域的面積時(shí)均值不斷增大,且歐拉數(shù)越低,氣泡區(qū)域的面積波動(dòng)幅度越大,氣液交界面波動(dòng)也越劇烈。
圖14 氣泡面積隨歐拉數(shù)的變化Fig.14 Variation of bubble area with Euler number
圖15 加速對(duì)泡狀流摻混融合特性的影響圖譜Fig.15 Influence of ventilation rate-Euler number on the fusion characteristics of bubbly flow
波動(dòng)也較大。而勻速條件下的平板氣泡發(fā)展較穩(wěn)定,發(fā)展至平板底部便能形成良好的連續(xù)氣層,且水氣界面波動(dòng)較小,穩(wěn)定性較高。
圖16 加速與勻速工況的全流場(chǎng)圖像對(duì)比Fig.16 Comparison of flow field image between accelerated and constant speed conditions
圖17 對(duì)比了主流在減速與勻速流動(dòng)條件下的泡狀流融合特性。圖中藍(lán)色曲線(xiàn)為勻速流動(dòng)工況對(duì)應(yīng)的泡狀流融合區(qū)域與未融合區(qū)域的分界線(xiàn),黃色曲線(xiàn)則是減速流動(dòng)工況對(duì)應(yīng)的泡狀流融合區(qū)域與未融合區(qū)域的分界線(xiàn)。由圖可知,黃色曲線(xiàn)以上陰影部分是減速融合區(qū)域,而勻速融合區(qū)域則分布在藍(lán)色曲線(xiàn)以上。明顯地,減速流動(dòng)工況的融合區(qū)域面積稍大于勻速流動(dòng)工況的,也即減速流動(dòng)將促進(jìn)泡狀流的摻混融合。
圖17 減速對(duì)泡狀流摻混融合特性的影響圖譜Fig.17 Influence of deceleration on the fusion characteristics of bubbly flow
為了進(jìn)一步分析主流的減速流動(dòng)對(duì)泡狀流發(fā)展及穩(wěn)定性的影響,選取圖17 中紫色方框處的工況點(diǎn)(Eu=3.312 4,Qv=0.074 71)進(jìn)行研究。圖18 給出了該工況點(diǎn)的全流場(chǎng)圖像演化,其中圖18(a)為減速流動(dòng)工況,圖18(b)為勻速流動(dòng)工況。從圖中可以明顯看出,相較于勻速工況的氣泡,雖然兩種工況下的氣泡基本保持在同一水平高度,但由于減速平板的傾斜方向,使得氣泡自身的寬度顯著增加,減速狀態(tài)下的氣泡初始摻混位置明顯接近上游,減速不僅使氣泡運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低,同時(shí)使水相對(duì)氣泡的壓力也不斷減小,給氣泡摻混提供更大的空間,因此氣泡寬度逐漸增大。此外,減速流動(dòng)下氣泡厚度在混合過(guò)程中逐漸增加,形成的連續(xù)氣層表面不斷波動(dòng),但氣層厚度大于勻速流動(dòng)下的連續(xù)氣層厚度,進(jìn)而促進(jìn)了氣泡的摻混融合。
圖18 減速與勻速工況的全流場(chǎng)圖像對(duì)比Fig.18 Comparison of flow field image between decelerated and constant speed conditions
本文采用近壁面氣液兩相流全流場(chǎng)顯示技術(shù),結(jié)合PIV 技術(shù)在水洞中觀測(cè)了平板壁面多孔排氣泡狀流的宏觀物理景象和摻混融合特性,討論了不同通氣率、歐拉數(shù)和主流的加減速流動(dòng)對(duì)氣液兩相流流動(dòng)形態(tài)和摻混融合特性的影響,研究結(jié)果表明:
(1)多孔泡狀流特征流型主要分為細(xì)泡狀、細(xì)條狀、連續(xù)透明狀、透明泡狀、泡沫狀和連續(xù)泡沫狀,其中細(xì)泡狀、細(xì)條狀及泡沫狀流型未融合,連續(xù)透明狀表現(xiàn)為臨界融合流態(tài),透明泡狀和連續(xù)泡沫狀流型均表現(xiàn)為融合流態(tài)。
(2)隨著通氣率的增大和歐拉數(shù)的減小,泡狀流由未融合狀態(tài)逐漸向融合狀態(tài)轉(zhuǎn)變。隨著通氣率的增大,氣泡初始摻混位置在流向距離上明顯縮短,氣泡面積的波動(dòng)幅度增大,氣泡面積時(shí)均值呈不斷增大的趨勢(shì)。隨著歐拉數(shù)的減小,氣泡寬度沿橫向增大,流束間距縮小,氣泡面積時(shí)均值不斷增大且波動(dòng)更為劇烈。
(3)主流在減速流動(dòng)工況的融合區(qū)面積大于勻速流動(dòng),勻速流動(dòng)工況的融合區(qū)面積大于加速流動(dòng)。加速流動(dòng)的主流對(duì)氣泡產(chǎn)生擠壓使得氣泡的厚度降低,抑制了氣泡的摻混融合。減速流動(dòng)時(shí)氣泡厚度在混合過(guò)程中逐漸增加,促進(jìn)了氣泡的摻混融合。