固液两相流体中空蚀机理研究的新方法

Aiming at mechanism of cavitation erosion near to boundary in solid-liquid two-phase flows, after analysis of physics process of cavitation erosion which is multiphase, wink state, microcosmic and stochastic and adoption of laser cavitation, high speed photography and hydrophone, a population research frame is set up for mechanism of cavitation erosion n solid-liquid two-phase flows and measurement of cavitation erosion intensity of target material..The equations of motion for bubbles, impulsion intensity of bubble collapse in solid-liquid two-phase fluid will be derived and solved by numerical method. The system of laser cavitation and measure will be designed. We will measure the collapse shock wave, rack of bubble wall, cavitation jet and erosion character under differ parameter of solid grain, boundary characteristic, water current characteristic. We can get experiment model of bubble cavitation erosion in solid-liquid two-phase fluid. Thus we can modify the theory model based the experiment model. Through the more characteristic experiment, we can describe the exactitude physics microcosmic course of the bubble cavitation erosion near to the boundary in solid-liquid two-phase fluid and study the material characteristic of anti- erosion and anti-abrasion.This project provide a new way to study cavitation erosion in solid-liquid two-phase flows, and its achievements can be used to development of waterpower machine and anti-cavitation erosion material.

针对固液两相流体中的近壁面附近空蚀机理问题，通过对多相、瞬态、微观和随机的复杂空蚀物理过程分析，并结合固液两相流体中激光空化气泡的可控产生以及高速摄影、水听器测量等技术，构成固液两相流体中空泡空蚀机理及靶材空蚀强度定量测量的总体研究框架。. 课题将建立固液两相流体中空泡与壁面相互作用、空泡溃灭冲击压力等理论模型，设计并制作高功率激光空化及测量系统。对不同固体沙粒特性、不同壁面材料类型、空泡特性、水流特性下对应的空泡溃灭冲击波、空泡溃灭射流及靶材空蚀量的实验数据分析，获得壁面靶材附近下空泡空蚀特性的实验模型，并对数值计算结果进行修正。经多参数条件下实验，实现对固液两相流体中空蚀发生的微观过程进行准确描述，并探索研究在固液两相流体中具有抗空蚀性能的靶材材料类型。本课题是固液两相流体中空蚀机理研究的新思路、新方法，研究成果可为水轮机等水力机械空蚀机理、抗空蚀材料研究提供支撑。

固液两相流体中空泡运动及溃灭空蚀特性一直是相关领域的重难点研究问题。采用高功率激光空化所产生的空化空泡，具有良好的球对称性、可控性、稳定性等优点，可在液体中形成具有不同空间位置、尺寸、密度、分布特征的空泡区，可为水轮机等水力机械空蚀机理等研究提供新的支撑及参考。主要研究成果如下:.（1）开展了固液两相流中空化与激光空化的相似性理论研究，理论上较系统的研究了激光击穿液体介质，等离子体、空泡脉动及声波辐射在液体中形成和发展过程，研究了激光击穿液体介质的光击穿机制、等离子体对激光的吸收特性及冲击波传播特性，并在考虑液体粘性、表面张力、空泡含气量情况下，对空泡脉动特性进行了数值计算。.（2）建立了激光空化的高速摄像测量实验平台。采用数值模拟和高速摄像测量研究了激光空泡在刚性壁面边界条件下的脉动特性。空泡在刚性壁面附近时：当γ1＜3（γ1等于空泡中心距刚性壁面的距离与激光空泡最大半径之比），激光空泡在溃灭的过程中产生指向壁面的射流；当1.4≤γ1＜2，激光空泡在第二次溃灭过程产生射流，并吸附在刚性壁面上脉动；当γ1＜1.4，激光空泡在第一次溃灭过程中就接触壁面，产生对刚性壁面影响区域比较大的射流；空泡离刚性壁面越近，空泡脉动周期越长，空泡的最大半径越小。.（3）开展了激光空泡和固液两相流中空泡的相似性实验研究，验证了激光空化技术应用于空泡空蚀定量模拟的可行性。实验研究表明：当γ1＜0.6时，刚性壁面空蚀主要是由空泡的溃灭冲击波造成的；当0.6≤γ1＜1.4时，冲击波和微射流对壁面空蚀的影响都存在，但是微射流所造成的空蚀程度大于冲击波；当1.4≤γ1＜3时，壁面空蚀主要是微射流造成的；随着γ1值的减小，抵达壁面的微射流速度变大。.本文的研究成果，对阐明空化现象的微观过程及机理规律有重要意义，可为水轮机等水力机械空蚀机理等研究提供新的支撑及参考。