AMS：重力式垂直水洞--流向重力下通气空泡流的前沿探索
摘要
现有的循环式水洞均为水平实验段, 且大多难以满足长历时通气空泡实验的需求。 本文介绍了新近研制成功的重力驱动循环式垂直空泡水洞主要功能, 建立了非定常通气空泡长历时实验的空泡形态高速摄像和模型表面压强传感器阵列同步测量与数据处理方法, 首次开展了流向重力作用下轴对称细长体通气空泡水动力实验, 给出了零攻角典型工况下表征通气空泡形态、泡内压强分布和尾部空泡脱落的特征频率。建立的重力垂直水洞可为水下航行体的通气空泡水动力学研究提供新的实验研究平台。 空化和空化流动是流体力学领域的经典课题。空化会极大地改变水下高速航行体和旋转水力机械的水动力性能，经常导致空化噪声和腐蚀，并降低螺旋桨的效率。除了自然空化流引起的负面影响外，通气空泡流的产生和稳定因其在高速水下航行器的流体动力载荷调节和运动稳定中的应用而受到更多关注。
由于相变和多相流涉及复杂的流动，精确和可控的实验室机理实验对于理解减压空化水洞中的这些流动至关重要。20世纪中期，欧洲、美国和中国的研究机构建立了减压空化水洞，用于研究与螺旋桨和轴对称细长体相关的空化和空泡流。例如，美国加州理工学院率先建立了高速水洞，并对水翼和轴对称体进行了空化初生和空化发展的实验。1976年，上海交通大学建造了一座中型空泡水筒，为螺旋桨水动力性能试验提供了必要的设施。中国船舶科学研究中心也拥有相关设施，包括一个中型空化水筒和一个减压循环水槽，用于空化螺旋桨和细长体的物理模型试验。如表1所示，国际拖曳水池会议的成员展示了他们的空化水洞设施，其中有9个具有代表性的中型到大型水洞。
表1 现有空化水洞技术参数
在过去的二十年里，人们对水翼和轴对称空化器周围的自然空化和通气空化流动进行了广泛的数值模拟。为了揭示复杂流动的机理和预测空化物体的水动力效应，建立了各种空化模型和气-汽-液多相流的数值模型。关于通气超空泡的产生和稳定性的实验，以及经历通气超空泡的物体的流体动力载荷调节和运动控制方法，有助于理解通气超空泡下轴对称物体的流动机理和水动力载荷。大多数关于水翼和回转体上的通气空泡的实验研究都是在具有水平试验段的水洞中进行的，一些利用拖曳水池对通气超空泡下的轴对称体进行流体动力学实验。虽然数值模拟在揭示通气超空泡内部多相流流态方面发挥了重要作用，但对空泡内气液混合物和多相流场的精细控制实验仍然极具挑战性，缺乏系统的定量测量方法。对于带空泡的水下匀速水平运动物体或绕空泡物体的定常水平来流，重力加速度垂直于物体运动方向或来流方向。在这些情况下，轴对称空泡的演化特征是空泡从脱离空化器到空泡闭合沿纵向向上漂移。研究发现，通气空泡的气体泄漏模式随通气速率而变化，从较低速率下的单涡管模式到较高速率下的双涡管模式。 当航行器以恒定速度在水中垂直向上移动时，重力加速度的方向与航行器运动的方向或物体固定坐标系中的流入方向平行。在早期的空泡流实验研究中，明尼苏达大学Anthony Falls水力实验室曾开发了垂直自由射流高速水流实验装置，并进行了二维通气空化实验。这些研究表明，随着通气量的增加，空泡内的内部压力升高，空泡数量减少，空泡长度增加。临界通气率导致空泡长度急剧增加，而通气率的进一步增加不会继续增加空化数。尽管有稳定的来流条件，但在重力影响的通气空化及其水动力载荷效应下，轴对称物体演变的详细实验测量仍然很少，无法理解空泡流动机制并开发数值模型。 本文提出了一种新型的重力驱动、循环垂直水洞实验系统，用于研究流向重力加速度对通气空泡流的影响。通过典型工况的轴对称体通气空化试验，验证了重力驱动式立式水洞立式试验段的关键特性。高速摄像机捕捉瞬态空泡图像，模型表面上的压力传感器阵列测量与时间相关的压力分布。随后的章节介绍了立式水洞实验设备，详细阐述了实验中使用的数据分析方法，讨论了零攻角下轴对称体典型空泡流条件的测量结果，并总结了新立式水洞的主要性能以及将在该独特设备上进行的进一步实验。 GVWT于2023年在上海交通大学建成。它是专门为在垂直试验段内进行流向重力加速度作用下的通气空泡流而设计的。GVWT由大功率泵、顶部水箱、地下水库、循环管道、垂直反向调节阀和控制系统组成。水洞由不锈钢制成，图1(a)给出了垂直水洞的整体示意图。地下水库深4.5米，最大蓄水量为400 m3，可供循环水洞使用。高架顶部水箱长18米，宽7米，高2米，可容纳252 m3的水。在实验期间，顶部水箱中的水位可达到1.53m的高度，相当于193吨的存储容积，水位高于底部平台21.53m。在上水箱出口安装了由多个不锈钢叶片组成的消涡装置，有效地减轻了浴盆涡对试验段来流的影响。两台变频(0~50 Hz)水泵可同时从地下蓄水池抽水至顶部水箱，总功率450 kW，扬程27 m，设计流量3800 m3/h。GVWT包括由试验段连接的收缩段和膨胀段。安装在收缩段上方的电动球阀控制顶部水箱的水是否进入垂直隧道的收缩段。顶部水箱的出口管为圆形截面管。收缩段将圆形过流截面过渡为方形截面，长度为2.2m，收缩比为3.14，对应的收缩角为3.9°。垂直试验段长度为2.1 m，过水断面为0.3 m×0.3 m。试验段的四侧装有可拆卸的观察窗，提供了清晰的空泡流视野。膨胀段长度为2.6 m，收缩比为3.14，对应的膨胀角为3.3°。 在膨胀段的出口处安装了电动蝶阀，调节电动蝶阀的开启角度，不仅可以改变流速，还可以改变试验段的压力。蝶阀可通过电气控制，在0至90°的开度角范围内以1%的增量变化，对应于全闭和全开。每次调整需要0.35秒。 在收缩段两端安装差压传感器，测量入流速度。差压传感器的量程为0-300 kPa，精度为0.25%，采样频率为1000 Hz。在试验段入口处安装了一个量程为0-300 kPa的绝对压力传感器，用于测量参考压力。该绝对压力传感器具有0.25%的精度和1000Hz的采样频率。差压和绝压传感器的毫安信号由控制采集终端采集。表2提供了在没有任何模型的情况下，试验段中的入流速度和参考压力的测量结果 新型GVWT水洞通过球阀和蝶阀的联合控制，可在垂直试验段产生2~20m/s的稳定连续入流，最低自然空化数约为0.3，特别适合进行长持续时间的连续通气空泡试验。如图1(B)和(C)所示，物理模型由头型、圆柱形细长体、支撑系统、通气系统和压力测量系统组成。模型头型为直径为50 mm的60°锥体，圆柱形后体长300 mm。1 mm宽的环形通气口位于模型肩部下方2.5 mm处。模型的圆柱体具有40个压力端口，排列成四个轴向排，每个排有10个等距端口，间隔20毫米。 如图1(B)所示，模型由带有攻角调节装置的悬臂式支杆-支柱系统支撑。不锈钢支杆的顶部直径为25 mm，固定端直径为40 mm，长度为300 mm，设计用于实现最佳功能。40个压力传感器的电线和一根通气管穿过管柱内部，确保了高效的数据采集。固定在观察窗上的支柱采用NACA 0040翼型。 攻角调节系统包括固定在支撑系统的水平杆上的蜗轮传动装置。输出轴直径为35 mm的手摇蜗轮蜗杆减速机，保证角度调整误差小于0.05°。在速比为1：100的情况下，曲柄旋转360°将导致攻角变化3.6°。该系统不仅允许角度调整，而且还显著增加了扭矩阻力，确保支撑系统在大迎角和高流速下保持稳定。支撑系统可以沿着试验段侧壁上预留的槽横向移动，以确保轴对称模型的中心在角度调整后保持在试验段的中心。细长体的最大可调攻角为10°。 通气量的稳定性和可控性是通气空泡流动实验的关键。压缩空气从空气压缩机供应到储存罐。空气在进入质量流量控制器以调节通气率之前通过罐出口处的过滤器。如图1(C)所示，空气经过截止阀和止回阀后，通过内径为5 mm、外径为8 mm的通气管输送到模型内部的气室，通过模型肩部的环形通气口进入水洞。质量流量控制器的范围为0-500L/min，精度为1%，进出口压差小于0.5MPa。 本实验中使用的M220M-256GB高速相机的分辨率为1920×1080像素，全帧率为2000fps，最小曝光时间为100ns。它的存储容量为256 GB，允许连续记录长达60秒。该相机配备了一个25-80毫米的变焦镜头，用于调整视野。其触发信号连接到Ni采集卡，实现与压力传感器的同步数据采集。如图2所示，为了提高通气空泡表面的图像灰度分辨率，一组不同角度的LED灯照亮了空泡流动区域。 为了捕捉轴对称模型在小迎角下的表面压力分布特性，在模型表面安装了40个CYG1505AF压力传感器。压力传感器的所有导线必须穿过模型内部，并通过支杆到达水洞外部。压力传感器的范围为0-300 kPa，精度为0.5%FS，长度为15 mm，安装螺纹为M6×0.75，导线直径为1.8 mm，电压信号输出为0.5-5 V，使用Ni采集卡采集。为了使40个压力传感器和其他设备同步，将5 V电压并联到几个Ni采集卡中。触发闭合后，所有板卡同时记录该电压，以实现同步数据收集。压力信号采样率为1000 Hz。 在本节中，我们将重点关注零攻角下通气空泡的空泡流型、特征长度和脱落频率。图3显示了来流速度U0=3.77m/s和通气率Qr=27.98 L/min时的空泡轮廓。弗劳德数和通气系数定义如下： U0=3.77 m/s，Q=27.98 L/min。时间步长为13.5 ms 其中，d=0.05m是模型直径，G=9.8 m/s²是重力加速度。在这种情况下，FR=5.38，CQ=0.049。 尽管水洞中的入流速度、参考压力和通气量保持不变，表明入流条件稳定，但回流射流和通气空泡的剧烈脱落表现出强烈的非定常特性，失去了轴对称特性，并具有显著的周向变化。为了定量分析通气空泡的宏观特性，从环形通气口测量了空泡长度和厚度。还量化了回射流和空泡闭合点的位置。图4(a)定义了零攻角下稳定通气空泡的起始点、回射流头部和闭合点的位置。 (a)黄线：环形通气口的位置；绿点：后向喷射头的位置；红点：空泡闭合点的位置 (b)空泡长度的概率分布，虚线表示拟合的T位置-尺度分布曲线 (I)片状空泡出现在通气空泡的前部区域，其具有光滑的空泡界面，看起来是透明的。 (II)混合片/云腔由两层组成，其中外层为具有光滑空泡表面的纯水，而内层为回射流和外层片腔之间的水-空气混合区，泡沫状回射流沿模型表面周向变化。 (III)云腔区域表现出强烈的水-气混合，空泡界面变得不规则，整个圆周显示出云状泡流。 (IV)脱落云腔出现在空泡闭合区，表现出强烈的非定常和三维两相流。 值得注意的是，在零攻角和没有重力加速度展向分量的情况下，通气空泡的侧向弯曲和双涡分离等现象不存在，这在水平试验段实验中发现的规律不同。逆压梯度诱导的回流射流和水-气混合密度梯度力的联合作用导致产生不同强度和位置的旋涡，从而在闭合区产生脱落云状空泡。 在GVWT中，在通气周期长达5 s的情况下进行了空泡流试验。根据轴对称模型圆柱体上压力传感器螺孔的位置，对高速摄像机图像的空间坐标进行了标定，显示分辨率为0.187±0.002 mm pixel-1。图4提供了10000张连续高速摄像机图像的统计分析结果，揭示了空泡长度的概率密度函数符合t位置-尺度分布 其中，平均值μ=168.6 mm，标准偏差σ=15.12，自由度ν=6.48，Γ为伽马分布。当从空泡闭合区域的图像中确定空泡长度时，由于存在不可忽略的异常值和极值，因此选择T位置-尺度分布而不是通常使用的正态分布。这种分布更适合于捕捉这种高度非线性和非定常过程的特征。 图5显示了基于这10000张高速摄像机图像对空泡轮廓的进一步统计分析。沿轴向拍摄了一系列横截面，并根据每个横截面的灰度值变化确定了空泡表面位置，从而得到了通气空泡表面位置的分布图。图中的颜色表示从10000个图像的统计分析中获得的概率密度值。红色虚线表示由该概率密度加权的平均空泡表面位置。在片状空泡区域，由于其透明性，空泡表面位置难以识别。空泡表面位置曲线应从通气口开始，延伸到空泡闭合区域。 图5通过分析10000张图像获得的空泡表面位置的统计分布 考虑到流向重力加速度对GVWT试验段内流体运动的影响，模型表面压力系数定义为 其中，P是安装在模型表面的压力传感器测得的压力，pref是在没有模型的情况下，在给定的水洞流动条件下，细长模型肩部的环境压力，ρ=1000 kg/m3是水的密度。 基于10个纵向排列的压力传感器测得的压力时间序列，空间和时间插值产生如图6所示的压力分布云图。图6右图中的曲线表示每个压力传感器测得的时间平均压力。结果表明，当压力传感器位于片状空泡区时，平均压力代表空泡压力pc，因此 σc=−Cp。对于这种情况，压力传感器1-6位于片状空泡区，导致通气空化数 σc=0.22。压力恢复区的压力系数变化由下式给出： 其中，空泡闭合区的最大压力系数为0.32，片状空泡压力系数为–0.22，压力恢复区的压力系数变化为0.54。 Le等人对二维水翼周围的自然空化进行了水平水洞实验，提供了压力恢复区域的压力系数变化与空化数之间的直接关系20。根据他们的结果，在空化数为0.22时，尾部恢复区的压力系数变化为0.35，空泡闭合区的最大压力系数为0.13。对于重力加速度垂直于来流的水平水洞实验，局部滞止腔闭合区的理想最大压力系数为1.0。然而，实验结果通常小于0.2 m。对于垂直试验段中的该实验，从恢复区中的零压力系数位置到细长体肩部处评估的参考压力的垂直距离约为0.13m，导致压力系数变化为 考虑到这种重力修正，在流向重力作用下，自然空化恢复区的压力系数变化为0.35+0.18=0.53，与本次通气空化实验得到的压力系数变化0.54一致。类似地，如果采用通气空泡闭合点的静压作为参考压力来定义压力系数，则通气空泡闭合区的最大压力系数为0.32–0.18=0.14，与Le等人提供的0.13结果一致。 如图6右图中的红色虚线所示，通气空泡闭合区域的长度约为0.05m。以模型直径为特征长度，无量纲压力系数梯度为： 如果应用空泡长度作为特征长度，则该压力系数梯度为1.83。 Strouhal数可以直观地反映空泡流动的非定常性能，从而导致水下航行器的水动力波动。Strouhal数通常用于评估非定常空泡流的频率特性。斯特劳哈尔数定义为 其中，fs是脉动压力谱的峰值频率，lc是通气空泡的特征长度。对于实验条件，脉动压力谱的峰值频率为6.2Hz，平均空泡长度为168mm，St=0.276。 Liu等人对零攻角下1/4平头轴对称体周围自然空化流动的非定常特性进行了水平水洞实验。模型直径为0.06m，来流速度为7.56 m/s。通过用每秒6000帧的高速摄像机捕捉空泡形态，他们获得了14.9赫兹的空泡脱离频率，最大空泡长度为0.18米，对应的斯特劳哈尔数为0.355。 斯特劳哈尔数的物理意义表示回射流沿空泡向上传播所需的时间与云空泡脱落周期的比值。对于回射流诱导的脱落云空泡，如果以最大空泡长度和来流速度为特征值，空泡流动脉动的Strouhal数一般在0.3左右。对于流向重力加速度和定常入流的情况，通气和自然空泡表面具有恒定压力，并且速度大小可以从空泡表面上的动态边界条件获得： 其中，Z=0是在通气口位置，Z=lc是空泡闭合点的轴向坐标。已知在给定的空泡条件下，重力导致空泡表面上的速度从分离点到闭合区域逐渐增加。因此，与水平水洞实验不同，在相同的来流速度和空化数条件下，流向重力加速度增加了GVWT垂直试验段空泡流的折返射流速度，可能降低脱落云空泡的Strouhal数。 5 . 结论
现有的大型空化水洞采用水平试验段，不能有效模拟水下航行体在通气空泡中垂直运动时的水动力载荷。本研究介绍了GVWT，这是一种突破性的方法，用于模拟流向重力对轴对称细长体通气空泡流动的影响，为更精确的水下航行器设计铺平了道路。 GVWT的最大来流速度为19.0 m/s，最小空化数为0.3，满足中等弗劳德数下长时间稳定通气空泡流实验的要求。对于给定的流速和通气率，零攻角下对轴对称体的通气空泡可分为片状空泡、片状/云状混合空泡、云状空泡和脱落云状空泡区域。片空泡区域保持几乎恒定的平均压力。回射流和脱落云空泡表现出显著的周向变化和不对称轮廓。在流向重力加速度作用下，通气空泡的气体泄漏不同于水平水洞中观察到的两个空心管涡的气体泄漏，而是在闭合区附近以非定常回射流诱导的云空泡脱落的形式产生。 带60°锥形头型的轴对称细长体零攻角通气空泡实验表明，在实验条件下，片状空泡区的空化数为0.22，压力恢复区的纵向压力系数变化为0.54，在流向重力加速度作用下，通气空泡闭合区的最大压力系数为0.14，与Le等人提供的0.13结果一致。以空泡长度为特征长度，来流速度为特征速度，脉动空泡闭合的Strouhal数为0.276，小于无流向重力效应时的Strouhal数，若将空泡长度定义为特征长度，则无量纲压力系数梯度为1.83。 非定常通气空泡流对具有通气空泡的细长体上的流体动力载荷的影响缺乏来自仔细控制的实验的基准实验室数据。最近建立的具有垂直试验段的GVWT为研究流向重力加速度条件下通气空泡流的机理和控制方法提供了必要的设施。该项目提供了零攻角下轴对称细长体周围通气空化流动的实验数据测量和分析方法。 作为进一步的研究，GVWT将用于研究非零攻角下时变流速和通气量对空泡长度演变、脱落模式和空泡内压力脉动的影响。更多的基准试验将有助于了解垂直发射的通气空泡水下航行器的流体动力学特性。
翻译转自《Acta Mechanica Sinica》"Gravity-driven vertical water tunnel for modeling ventilated cavity flows around axisymmetric slender body under streamwise gravitational effect".
