水翼表面主动射流控制空化流动的研究

The existence of cavitation will lead to different intensity of vibration, shocks as well as acoustic noise and worsen the cavitation erosions which results in structural fatigue failure. Suppressing the evolution and detachment of bubbles efficiently are not only one of the important problems in the study of cavitation, but also a key technology relevant to nuclear energy applications. The project proposes the idea of creating micro-fluid flows on hydrofoil surface to suppress the evolution and detachment of cavitation body, as well as a safety improvement of hydraulic structure. Based on advanced non-contact measurement technology and computational fluid dynamics, the interaction of micro jet, re-entrant jet and main flow will be studied to reveal the mechanism of cavitation suppression. A detailed analysis of arrangement, geometry parameters of micro-fluid flow structure and injection momentum which influence the cavitation property and dynamic characteristic will be presented. The adaptibility between micro jet structure on the surface of hydrofoil and cavitation suppression for different inlet flow condition will be explored to reveal the mechanism of active cavitation control. The influence rule of jet flow on surface of rotating blade on cavitation flow field will be further studied to reveal the control characteristic of cavitation, which will provide the scientific basis when using the technology of micro-fluid flows in nuclear energy applications.

空化引起不同程度振动、冲击和噪声，加剧物体表面空蚀，使结构提早发生疲劳。有效抑制空化发生和空泡脱落不仅是空化研究过程中的关键科学问题，同时也关系到核能等重要领域关键技术问题的解决。本项目以抑制空化发展及空泡脱落，提高水力部件安全性为出发点，提出采用水翼表面微射流抑制空化的新思想，应用先进的流场非接触测量技术和计算流体力学手段，研究水翼表面微射流、回射流以及主流的相互作用延缓和抑制空化的机理，细致分析水翼表面微射流结构几何参数、布置方式及射流动量对于水翼空化流场特性和动力学特性的影响规律，深入探索表面微射流结构对于不同来流条件下空化抑制的适应性，揭示空化流动的主动控制原理。进一步研究旋转叶片表面射流对于复杂空化流场的影响规律，揭示射流对于旋转叶片空化流场的调控特性，为在核能等重要领域中应用微流动技术提供科学依据。

伴随大尺度空泡脱落的云空化的发生，严重影响着水力性能，引起水力机械不同程度的振动、冲击和噪声，空泡流的低频振荡和大规模的空泡云脱落会加剧物体表面的空蚀，使结构提早发生疲劳破坏，对于高速运动物体会影响其控制稳定性，甚至导致灾难性的颤振和动力学失稳。对此,提出行之有效的空化抑制策略，对海洋航行体等重要装备安全运行具有重要的参考意义，并对空化抑制新技术的理论带来重要参考价值，由此引发的射流控制空化的一系列基础研究问题亦具有重要的科学意义和广泛的应用前景。本研究重点开展了主动射流对绕水翼空化流动控制的试验研究，射流特征参数与空化流场特性映射规律、多工况射流抑制空化的适应性、主动射流对水翼动力学性能及压力脉动特性的影响研究、基于主动射流实现旋转机械内部空化流场可控研究，并在以上试验、数值仿真和抑制机理理论研究的基础上，获得了如下研究成果：（1）提出了抑制空化流动的水翼表面主动射流结构，开展了射流抑制空化的实验研究，发现片空化抑制率高达79.4%，云空化抑制率高达36.1%。（2）从多角度系统阐述了主动射流抑制空化流动的内在机制。发现射流会大幅削弱回射流强度，减少绕水翼空化流场不稳定性，空泡团被射流流体包围、挤压并冲散成小涡团，减少了大空泡团脱落造成的流场震荡。（3）揭示了射流特征参数与空化流场控制效果的映射规律，获得了不同空化数下最佳射流流量，发现主动射流具有良好的多工况适应性，并基于此提出了流场调控策略。（4）主动射流有效减缓了水翼表面压力脉动，削弱水翼及周围流场的噪声源强度，并大幅减缓了空化带来的水翼翼体振荡现象。（5）将主动射流技术应用于自行设计的轴流泵上，研究发现射流可有效抑制叶片前缘片空化的产生，泵内空泡体积相对无射流减少23.3%。本研究丰富了空化流动控制的基础研究，为主动控制技术提供了重要参考价值，相关研究成果为某国防项目研究提供了理论方法和技术支撑。