空化-泥沙联合作用微观机理的实验和理论研究

The synergistic effects of cavitation and silt abrasion will enhance the erosion of hydraulic machineries, which seriously affects the safe operations of hydraulic machineries. In this project, through the experimental and theoretical investigations on the interaction between cavitation bubbles and the silt particles, the microscopic mechanism of the synergistic effects of cavitation and silt abrasion will be revealed. The process of the interaction between bubble and particle is complicated and there are numerous influencing factors. Therefore, to make the experiments more controllable and more repeatable, the single bubble and representative particles with single material (e.g., glass, copper) will be employed for the quantitative study, owning to their controllable physical parameters. Firstly, the experimental system will be set up, including the pulse laser and focusing system to control the size and the position of the bubble, the 3D travel stage to control the position of the particle, the high speed camera to record the behaviours of the bubble and the particle. And several influence factors (e.g., the size and the position of the particles and the bubbles) will be varied in a wide range. Based on this system, the characteristics of the dynamics of the bubble and the particle during the interaction between them near the boundary, as well as the essential influence factors, will be investigated. Secondly, with the consideration of the effects of solid boundary and the impact of the particle on bubble behaviours, equations of the nonlinear dynamics of bubble oscillation and the motion of the particle will be solved simultaneously. The detailed properties of the progress of the interaction of the bubble and the particle will be analysed theoretically. The model of the microscopic mechanism of the synergistic effects of cavitation and silt abrasion will be built, and will be validated by the typical experimental results.

空化与泥沙联合作用所引起的水力机械的加速磨蚀，是关系到水力机械安全稳定运行的核心问题之一。本项目拟采用实验研究与理论分析相结合的方法，揭示空化与泥沙颗粒耦合作用的微观机理。由于二者的作用过程复杂，影响因素众多，为提高研究的可控性与可重复性，本项目中将以物性参数易于控制的单个空化泡和具有代表性的单一材质的颗粒（如玻璃球、铜球等）为主要对象，进行定量的研究。实验研究方面，采用脉冲激光及聚焦系统控制空化泡的大小与位置，采用三维微动平台控制颗粒的位置，采用高速摄影系统记录空化泡与颗粒相互作用过程中的动力学行为，并选取关键变量（如空泡和颗粒的尺寸、位置等）进行控制。基于以上系统，研究近边壁区空化泡与泥沙颗粒耦合作用过程中的动力学特征及其影响因素。理论分析方面，考虑边壁的作用以及颗粒对空泡行为的影响，对空泡的非线性动力学方程和颗粒的运动方程进行联立求解，详细分析二者耦合作用的动力学过程，并在较大参数范围内讨论其关键影响因素。最终建立描述空泡-颗粒相互耦合作用的微观模型，并选取典型实验结果进行验证。

本项目旨在通过对空化-颗粒相互耦合作用的研究，揭示水力机械磨蚀作用的微观机理。项目按照计划执行，取得成果如下：设计并搭建了激光诱导空化实验平台，实现了空泡尺寸和位置、颗粒与边壁位置的精确控制，并采用高速相机记录空泡和颗粒的动力学行为。为了使颗粒的运动状态更接近工程实际，搭建了颗粒弹射系统，可产生具有一定初速度的自由下落颗粒。建立了基于OpenFOAM的空泡-颗粒相互作用的数值计算模型，并进行了实验验证。基于此实验平台和数值模型，循序渐进地系统研究了空泡与静止颗粒、悬垂颗粒、自由下落颗粒的相互作用，以及壁面对这些作用的影响。实验结果表明，在空泡驱动下，颗粒具有三种基本运动模式：被排斥、被吸引、往复运动，其主要受二者尺寸和距离的影响。理论分析可知，颗粒运动状态由空泡释放的声辐射压力的变化以及空泡的微射流作用共同决定。另一方面，颗粒和壁面的存在会影响空泡的动力学行为，从而影响空泡的溃灭速度、射流速度、射流方向等，这些都将进一步改变空泡对颗粒和壁面的加速/冲击作用。而这一过程也受到空泡尺寸、空泡-颗粒距离、空泡-颗粒-壁面相对位置等因素的影响。此外，考虑到压力波对空泡振荡特性的影响及其在水力机械运行过程中的普遍性，基于泡动力学基本方程，对压力波驱动下的空泡非线性振荡特性进行了理论分析，发现了其在双频驱动下独有的“混合共振”、“叠加共振”和“混沌振荡”现象，揭示了这些特性对空泡振荡幅值的影响机理，并研究了压力波强度、频率、双频间能量分配等关键因素的影响，为实际应用中发展强化或减弱空泡振荡的方法提供了理论依据。