(四),学水力学与山区河流,发保护国家重点实验室,四,成都6,,(65)
,摘要,初生空化数是衡量过流体型是否发生空化的判别标准。传统的托马公式认为液流负压值达到液体饱和蒸汽压时即发生,化。近来研,表明,气核和液体抗拉强度等对初生,化有重要影响。有学者认为把托马公式中的液体饱和蒸汽压替换为临界压强更为合理。本文在已有研,的基础上,对,化初生机理和影响,化初生的因素进行分析。认为,化仅是气核克服表面张力和液体饱和蒸汽压膨胀而形,的,并没有克服液体抗拉强度,且在,化源附近的液体几乎不具有抗拉强度,并基于此提出新的初生空化数公式。
初生空化数是判别过流体型是否发生,化的标准和依据。,生,,数计算往往采用经典的托马公式。目前绝大多数工程问题利用托马公式,算,生,化数已能达到要求。然而,近来研究表明,气核,液体抗拉强度对,生,化,影响非常重要,很多研,表明其存在一定,关系。从科学研,,角,考虑,并不能把,化,生简单的认为克服了液体饱,蒸汽压,即把临界压强当作液体饱,蒸汽压。
本文从经典,托马公式出,,探讨气核,液体抗拉强,,,化,生,影响程,,在前人,生,化数改进公式,基础上,提出新,公式,更准确地描述,生,化,条件与判,,准。
(化),生是,穴在微不可见,极小区域内,次,现,状态[1]。无气核,液体具有很,,抗拉强度,,化,生必须有气核或弱点存在。气核数目增,,会促进,化现象,,生[,]。液体,抗拉强,与,生,化有非常密切,关系。
式中,σi为,生,化数,P∞与V∞分,为,化,生时来,压强,,速,Pv与ρ分,为液体,饱,蒸汽压强,密度。
此式仅考虑了液体,饱,蒸汽压强,未,入液体,抗拉强度对,生,化,影响。事实上,液体所含杂质,少、含气量,小等决,其抗拉强度,指,,会引起,生,化结果较,,差异。
研究证实,由液体,,化敏感性引起,比尺效应最为严重[4]。自(98),起,以液体,拉强度作为其,化临,压强研究,生,化,比尺效应以来,该方法已有很,应用,完善[5]。当液体,拉强度不为零时,上述,生,化数公式必须重新考虑。
基本理论,重力相似律,假设,生,化数相似比尺为,。通常结论,模型无,化,原型无,蚀,或模型,原型,,化部位相对应,或当原型,水,,化数,于模型,,化数时,原型无,化等等[7]。
国际上更,地使用常压循环水洞,在常压下试验模型,,生,化规律[8-,,]。
压强影响外,更多地受其抗拉强度,主要取决于液化初生的时候究竟有没有克服液体,拉强,,液体的清洁,、含气量、温,和流动状态,的影响[7、11]。体,拉强,对初生空化,影响程,有多大,形成
还认为,存在初生空化,比尺效应,即模型与饱含水蒸气的空化泡与简单,拉开液体形成真空原型初生,化数不同。主要受液体,黏,、流速及空泡有多大区别。
其紊,,、试验体的特征长,比尺和空化的类型中德两国联合空化试验与计算结果均表明[16],等诸多因素的影响[12-15]。其试验条件下,液体,拉强,在1,,Pa附近,大
,液体,拉强,,高达2,(MPa)时,才会产生“空目前对空化初生,机理,普遍认同气核理论。穴”[5]。只要让液体纯净无杂质,如此高,,拉强,空化即液流系统中,局部低压使液体蒸发而引起是基本不可能达到,也就不会发生空化。然而实际,气核爆发性生长现象[18]。
情况往往不同。在实验中,常将液体抗拉强,规范那么研究空化初生,必须基于对气核,认识。为零,是偏为安全,。因为实际液体抗拉强,往往气核才是发生空化,内在机因,液体空化,远大于零。临界压强主要决定于气核,空化灵敏,。因此开
液体抗拉强,与液体,粘性、温,、气泡含量展对气核特性,研究对研究空化机理尤为必要。与尺寸、水质等等有关。颜开[19]指出,空化发生时,最小压力Pmin与饱
杨志明[5]认为,液体中有过大尺寸,气泡,即和蒸汽压PV之间,差别远远低于实验以及理论估不能承受张力。许多因素会影响液体抗拉强度。水算,水,张力与蒸汽压PV之间,差别。流,流速脉动增加时,就会降低水流,,拉强度。Lecoffre等人发展,文多利(Venturi)测核仪
夏维洪[16]研究水质对初生空化数的影响,提,测量结果表明图,大部分液体中所包含,参与出,水体中气核尺寸和相应,,拉强,带有随机空化,气核密,是很低,。富含微气泡,水体其性,这样在试验中便会得出同一模型有不同的初特征气核密,为每立方厘米1个气核,量级。试生空化数,即使水体在饱和蒸气压时发生空化情验还证实,在试验水体中真正参与空化,核是那况也是如此。些微气泡,而不是固体尘埃或有机微生物。
必须从空化初生,本质出发,考量液体,拉第2,届ITTC空化委员会和巴黎船模水池合强,对空化初生,影响程,,从而导出合理的初作研究气核对螺旋桨上,三种空化状态,片状空生空化数公式。泡、泡状空泡和梢涡空泡,,空泡起始,影响进行
在空化源,气核,附近,液体几乎不具有,拉定量测量。三个螺旋,在四种气核分布下,初生强,,而空化都是由气核发生。想要定量衡量液体空化数测量结果见下表[2,]。
,拉强,对初生空化,影响需探明以下问题,空表中数据表明,水,张力越大,空化数越小。
托马公式认为水体在饱和蒸气压情况下发生空化,由于水中气核,影响,水可在低于饱和蒸气
压,某临,压强时空化,表现出水体具有,拉强,。A.Keller[17]建议初生空化数公式改为
式中,Pt为实测的液体抗拉强,,M为试件的模型系数,其数值与试件的流体力学特性有关。
作者认为以上两改进公式并不合理, 因为,(1)纯净的水体抗拉强度非常大,抗拉强,对空化的影响并不是简单的加减,而空化初生总是源于有气核的位置,此处水体已被气核撑开,空化只是气核的膨胀,并没有产生拉开水体的源, (2)空化产生的空化泡主要含有气态的水,目前研究的观点, ,并不是简单的把液体拉裂成线)在空化源附近的液体几乎不具有抗拉强,[,] ,而空化总是发生于空化源。
其分析,是基于气核起始平衡状态方程,设想试验在“零”抗拉强,下发生,即空化在饱和蒸气时发生,从而摆脱抗拉强,的影响。此公式仅是理论公式,无法实际应用。
由于空化源,气核,处液体抗拉强,为零,而其气核是空化初生的必要因素。此时气核外围的液体表面张力则必须考虑。气核在负压时迅速充满水蒸气并急剧扩大,其半径从看不到的1,,8m量级到1,-,m量级变化。为简化过程,假定此过程克服的表面张力可以有一个系数表示。现提出新的初生空化数公式
式中,P∞和V∞为来流的压强和流速,Pv和籽为实验时液体饱和蒸汽压强和密,,Pt为实验液体的动态抗拉强,,N为衡量水体空化敏感性的参数,单位m-1 ,暂称为水流空化敏,性参数,τ为水的表面张力系数,式中括号为临界压强,Pc=Pv+N,τ,此式与上文提到的A,Keller建议公式(1)形式一致,仅临界压强的体现不同。
此公式可以解释上文中,气核对螺旋桨上的三种空化状态的空泡起始的影响测量得出的结论。水的张力越大,空化数越小,而气核含量增多,水流空化敏感性参数N增大,从而空化数减小。
初生空化是液体发生空化的初始状态。本文总结前人对初生空化数的计算公式研究,对其进行讨论。然后从空化初生机理出发,分析影响初生空化的因素,主要从气核和液体抗拉强,角,出发,分析了其对初生空化的影响。最,提出新的初生空化数计算公式,对以后科研界定初生空化的发生条件有一定参考。□
[4]杨志明,丁宇键关于初生空化试验技术的规范[J]科学技术与工程,,,,,,,,,,,(1)
[5]杨志明初生空化与液体抗拉强度的关系[J]水动力学研究与进展( 1),,(5)4,,,,-,,
[,]杨志明初生空化比尺效应的讨论和验证[J]水动力学研究与进展,,,(8),,(5)(58)-584
作者单位, 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都,610065
