管道内多空泡行为与激波的相互作用机理研究

Many problems in hydraulic systems, such as cavitation erosion, vibration and noise, have a strong relationship with the dynamic behavior of cavitation bubbles in restricted space. The shock wave emitted by collapsing cavities reflects and converges near the solid wall, which has a major effect on the collapse process of the bubbles around. Moreover, shock wave creates secondary cavitation in restricted space. The researches on the coupling between shock wave and cavitation mostly employ a simple boundary condition, rarely focusing on the phenomena in pipe. In order to understand the multi-cavities collapse and secondary cavitation in practical restricted space, this project focuses on the interaction mechanism between shock wave and cavitation in pipe. The investigation includes the dynamic model with shock wave-bubble coupling, the mechanism and behavior of multi-bubble collapse in pipe, the jet formation and development during bubble collapse induced by shock waves, the effect of secondary cavitation on erosion and noise, the reflection and convergence of shock waves in pipe, the influence factors and the prediction model of secondary cavitation in pipe.

约束空间内的空泡动力学行为是引起液压系统气蚀、噪声、振动等问题的关键因素。在壁面附近，空泡溃灭时产生的激波发生反射和汇聚，一方面显著影响多空泡溃灭过程，另一方面会诱发二次空化，这些现象对液压系统中的气蚀和噪声问题有不可忽略的影响。目前，关于激波对多空泡溃灭的影响及激波诱发二次空化的研究中壁面约束条件简单，针对管道内的相关研究尚属空白。本项目从约束空间中激波—空泡的耦合作用机理入手，建立考虑壁面与激波影响的空泡动力学模型，研究管道中多空泡干涉行为规律，揭示多重反射激波作用下空泡的溃灭射流形态，建立管道内多空泡溃灭的行为域图，研究管道中二次空化现象对气蚀、噪声问题的影响，揭示典型约束空间中的激波反射汇聚规律，定量描述二次空化的发生条件和影响因素，建立管道内二次空化位置和强度的参数化预测模型，为管道内多空泡干涉溃灭和二次空化现象的认知奠定基础。

约束空间内的空泡动力学行为是引起液压系统气蚀、噪声、振动等问题的关键因素。在壁面附近，空泡溃灭时产生的激波发生反射和汇聚，一方面显著影响多空泡溃灭过程，另一方面会诱发二次空化。壁面约束对这些现象有显著影响，必须从多空泡溃灭过程的物理机理出发，建立壁面约束条件下的多空泡动力学理论，探索多空泡相互干涉及二次空化的行为规律。. 本项目针对刚性管道这一工程中常见的壁面约束条件，探讨其对多空泡动力学行为及溃灭激波的影响。在管道内多空泡干涉方面，提出了干涉变形与残余射流的分类及判定准则，揭示了管道内多空泡干涉的射流行为规律，探明了各类射流现象的影响因素和无量纲参数域，并考察了空泡间的干涉机理；针对管道中的二次空化这一前沿问题，揭示了激波反射汇聚诱发空化的二次空化机理，发现了二次空化区出现位置、振荡周期与初始空泡之间的关系，建立了管道内空泡溃灭过程的能量流模型；发现了管道内空泡溃灭诱发管口空化涡环现象，建立了管口空化涡环的振荡周期模型，提出了涡环环量修正方法；探索了空泡溃灭在管道内粒子移除中的应用，建立了粒子移除速度模型。这些研究成果为实际复杂壁面约束条件下的空化问题研究提供了知识积累和有益借鉴。