水下冲击波聚焦作用下空化效应的实验研究

冲击波聚焦在聚焦区域形成局部较高压力的同时还会在焦区产生空化效应。基于旋转椭球面反射罩及置于其焦点的水中脉冲放电声源建立了水下冲击波聚焦系统。通过压力传感器测量了反射罩轴向的压力历程曲线及峰值压力分布。同时,搭建了高速摄影所需的光学装置,拍摄了空化现象的高速摄影图片,对水下冲击波聚焦过程和空化汽泡的产生、发展及湮灭的整个过程进行了研究。对压力历程曲线和高速摄影所得结果进行对比分析得到空化现象产生的物理过程。实验结果表明：负压是空化现象发生的主要原因,空化汽泡的塌缩时间与汽泡半径存在线性关系,并且汽泡膨胀阶段持续的时间大于塌缩阶段持续的时间。     

高速拖曳水槽水动力特性及尾空化实验研究

介绍了作者发明的一种新型的窄通道高速拖曳水槽,对不同头型的方形及圆形截面的模型进行了高速拖曳实验,实验模型的最大速度可达约18m/s。通过高速摄影仪进行实时记录,对模型的运动特性以及空化尾迹特性进行了研究。实验结果显示,圆形截面模型的速度曲线更加稳定;对于方形截面的模型,头型为90°角的模型加速性能最好。     

叶顶间隙流动中的涡结构实验研究

叶顶间隙流动中的旋涡结构是引发导管桨、水轮机等水力机械叶顶间隙空化问题的主要因素之一。与常规船用螺旋桨（叶顶无端壁）上的梢涡流动不同,叶顶间隙流动受叶片载荷分布和间隙尺度（叶片梢部与端壁的距离）共同作用。为了研究叶顶间隙流动中的旋涡结构特性及其影响因素作用机理,本文采用二维NACA0024翼型在空泡机理水筒中,开展了基于旋涡空化观测的叶顶间隙流动显示实验和基于2D-3C PIV的叶顶间隙流场测量实验。通过空化观测实验,获得了叶顶间隙流动中的旋涡整体分布状态,以及间隙宽度、雷诺数和载荷系数等对旋涡强度的影响规律。通过流场测量实验,获得了局部全湿流场（无空化状态）中的旋涡分布规律以及其随不同影响因素的变化规律。结合流动显示实验和流场测量实验,研究了叶顶间隙流动中的旋涡结构形态以及形成机理,并初步阐明了间隙宽度、雷诺数和载荷系数对叶顶间隙流动旋涡强度的影响规律。研究表明,在NACA0024翼型叶顶间隙流动中存在两种主要稳定涡结构,分别是梢分离涡和梢泄涡;稳定涡结构是引起叶顶间隙流动空化的主要因素;翼型攻角和间隙宽度的大小是影响叶顶间隙流动中旋涡结构强度的主要因素。     

空化对燃油喷嘴雾化的影响

燃油喷嘴内的液体流动在一定条件下会形成空化,进而影响喷嘴的雾化效果。应用高速摄像仪对圆形喷嘴内的空化以及喷口外的雾化进行了实验研究。实验所用喷嘴直径包括0.5mm,1.0mm,1.5mm和2.0mm,其中直径为1.5mm的喷嘴的长径比从2变化到9,实验工质为纯净水。实验发现,喷嘴内空化的形成是动态的,空化长度出现高频低幅脉动。对于喷嘴的收缩类型研究发现,急收型相比渐收型更易形成空化,并有增强雾化的效果。长径比相同的喷嘴,直径越大,达到超空化的喷射压力越大,雾化锥角也越大;直径相同的喷嘴,随长径比的增加,达到超空化的空化数逐渐减小,但射流的喷雾锥角没有明显的变化趋势,均在10°到20°之间。对比破碎模式规律,除了0.5mm的喷嘴外,所有喷嘴达到超空化后均为雾化模式。     

空化对航行器垂向入水特性影响机理研究

航行器以一定速度入水过程中将发生空化现象,这对其受力特性及运动轨迹都有重要影响,是跨介质航行器的关键问题。针对航行器不同速度垂向入水中的空化现象开展了数值模拟研究,采用整体运动网格方法,分析了航行器垂向入水过程中,空化和入水速度对运动特性及流场演化的影响。研究结果表明,超空泡主要从航行器外形斜率改变处开始生成,空泡的闭合与溃灭都会造成受力曲线的较大波动。超空泡的减阻效果主要在航行器完全进入水面后体现,且航行器垂向入水速度越大,阻力系数越小。     

水翼叶梢涡空化实验研究进展

针对螺旋桨、水轮机以及导管桨等叶片的梢涡空化现象，国内外学者开展了一系列相关实验研究。本文对梢涡空化起始(或初生)、发展与溃灭(或消失)等3个阶段的实验研究进展及成果进行综述，梳理未来的研究方向及关键问题，为梢涡空化研究提供参考。关于梢涡空化初生问题，基于旋涡理论模型及流场测量技术，对不同翼型的梢涡结构特征进行分析，根据空化发生的相变条件(即气核、低压以及低压作用时间)，初步认识了梢涡空化发生机理；关于梢涡空化发展问题，以辐射噪声骤增为典型特征，借助空泡图像的高速摄影及声学信号同步采集技术，研究梢涡空化形态及对应的辐射噪声特征，通过进一步解释"涡唱"现象，深入认识了梢涡空化发生机理；关于梢涡空化溃灭问题，溃灭发生位置一般远离桨叶等水力机械，对结构物的振动与剥蚀影响很小，本文不作详细阐述。此外，对梢涡空化初生的准确预报，一直是相关理论研究成果应用于工程实际所面临的一个重要问题。归根结底，主要是影响梢涡空化关键参数(比如载荷、雷诺数和水质等)的尺度效应问题和梢涡空化初生预报公式逐渐完善的问题。     

基于LSTM和CNN的高速柱塞泵故障诊断

针对高速轴向柱塞泵容易发生空化，且目前空化故障诊断方法存在依赖手工特征提取、鲁棒性不高的问题，提出了一种基于长短时记忆（LSTM）和一维卷积神经网络（1D-CNN）相结合的空化故障诊断方法。搭建了柱塞泵故障实验台，采集柱塞泵在不同空化等级下的壳体振动信号。利用LSTM和1D-CNN搭建的分类模型对不同进口压力情况下的振动信号进行空化等级识别。实验结果表明：提出的方法能够准确地识别出4类不同的空化等级，准确率高达99.5%，同时在不附加降噪方法的情况下，具有良好的鲁棒性，在0 dB信噪比的情况下，识别准确率高达87.3%。     

基于试验方法研究普通舵空化特性

为了探索普通舵在舰船中高航速范围内空化的变化规律,针对舰船普通舵空化问题进行了桨后舵模型的水洞空泡试验,通过分析一系列不同工况下普通舵的空化现象,研究了不同航速、舵角下普通舵空化的变化规律。试验结果表明:普通舵在0.2~0.6倍舵展长区域内最容易发生空化,与实船舵空化剥蚀区域基本吻合;在23kn航速工况下,普通舵发生空泡的起始空泡舵角为0°;另外,结合普通舵发生空化的起始舵角规律以及舰船直航时打舵角范围,可以分析出舰船在21.5kn航速航行时,普通舵不可避免会空化发生。通过普通舵模型空泡试验方法观察了不同航速、舵角下的舵空泡状况,得出了普通舵空化位置、面积与舰船航速、舵角的一般规律,为普通舵的优化设计和解决舵的空化问题提供了重要参考。     

高速燃油离心泵空化特性分析

为揭示高速燃油离心泵内部空化形态及隔舌区域空化的发生工况,对其进行了非定常数值计算,分析了不同流量下高速燃油泵内空化流场特性及压力瞬态特性。结果表明：在不同流量下,空泡首先在叶片前缘生成;随着空化数降低,空泡在叶片根部及延伸叶片背面产生;在1.2倍设计流量下隔舌区域的空化在低空化数下发生;空化对叶片表面根部的压力载荷影响较大;叶轮流道监测点压力脉动主频为叶轮轴频;隔舌监测点脉动主频为叶频,在1.2倍设计流量下的低空化数下隔舌区域监测点压力脉动频谱上轴频倍频特征增强。     

水温对空化流动影响的数值研究

为了研究温度升高对翼型表面空化流动的影响,以水为介质,首先对几种现有空化模型的预测能力进行了对比分析,发现Singhal模型能够较准确预测空化区的形状、压力和温度分布。通过添加空化引起的能量源项、耦合介质物性参数与温度关系等方式考虑了热力学效应的影响,并利用现有实验数据充分验证了仿真方法的可靠性,发现考虑热力学效应对压力分布影响较小,但是会导致空化区最大温降减小10%左右。基于建立的仿真方法,对298K～393K温度范围内空化流动进行数值仿真,发现空化区温降随温度升高而增大,但是空化区面积随温度变化在T=353K存在拐点,T353K时,空化区面积随温度升高而增大;而T≥353K时,空化区随温度升高而减小。最后研究了雷诺数变化对空化发展的影响,发现雷诺数增大有一定促进作用,而温度升高同时导致热力学效应增强(抑制空化)和雷诺数增大(促进空化),正是这两种相反作用之间的平衡决定着温度对空化流动的影响。