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空化水射流的内在机理
来源: 时间:2021-09-17 浏览:8781
自然界的试题中存在着许多气泡核,遇到外界激励时将迅速膨胀为肉眼可见的气泡,当遇到高压水体时,这些气泡又会以近乎绝热过程溃灭,流体质点向气泡中心高速冲击,结果产生瞬时热点(约5000k)和局部高压(约1.01*109Pa),并伴随各种极端物理,化学现象。同时空化水射流能够在极短时间内使靶体收到极高频(400km/h)作用,并伴有极大的噪声,这一现象被称为空化效应。

    自然界的试题中存在着许多气泡核,遇到外界激励时将迅速膨胀为肉眼可见的气泡,当遇到高压水体时,这些气泡又会以近乎绝热过程亏灭,流体质点向气泡中心高速冲击,结果产生瞬时热点(约5000k)和局部高压(约1.01*109Pa),并伴随各种极端物理,化学现象。同时空化水射流能够在极短时间内使靶体收到极高频(400km/h)作用,并伴有极大的噪声,这一现象被称为空化效应。


    空话机理研究方面RayLeigh作出了巨大贡献,最先提出了空泡在无界精致液体中溃灭方程。然而自然界中的液体都具有粘性和表面张力,因此plesset对Rayleigh的空泡溃灭方程进行了优化改进,提出了著名的R-P方程。此后,空化理论研究进入一个快速发展时期,但是目前关于空化的内在机理研究还不是十分成熟,尚无较为权威的理论说明。其中的原因包括液体结构和空化效应的复杂性,以及相应试验观测设备的缺乏。当前主要提出了一些较为合理的假说,主要包括微射流理论,冲击波理论,群泡溃灭理论。


1.微射流理论

    在液体环境中,流动参数的变动常常会造成空泡的失稳,引起空泡的非对称溃灭,其中较为代表性的研究是关于近固壁面的球形空泡的溃灭。Lauterborn和Bolle等人利用红宝石激光器在固壁附近的蒸馏水中诱导球形空泡,利用高速摄影机拍摄到了近固壁的空泡生成及其溃灭过程中微射流的形成,为plesset和Chapman对该现象的理论预测提供了实验依据,preece等人将高压水射流通入水体中产生空化现象,利用高速摄影技术成功捕捉到了近壁面空泡的不对称溃灭过程,由得到的照片推算溃灭时产生的微射流时速超过500m/s。赵瑞等人通过自制的力学传感器和高速摄影机,开展了对激光诱导近壁面的球形空泡的溃灭研究结果表明,刚性壁面面对空泡周围流场产生的扰动致使空泡形状发生畸形,溃灭发生后,距离壁面较远的一侧的空泡壁面逐渐内凹,形成以一股微射流冲击固壁面,经压力检测和水锤压力算得到,速度超过450m/s

目前试验即理论研究证明了空化现象微射流的存在,但是所得出的射流速度值相差较大,因此,对于微射流速度的影响因素还有待于进一步的深入研究。微射流演化过程

2.冲击波理论

    冲击波理论认为空泡溃灭会产生相当大的压力冲击波辐射波传播,在蒸馏水中,Matsumoto利用压电陶瓷探针式水听器PZT及高速摄影机对近壁面的空泡溃灭过程进行探测,经过一段时间后,靶体表面出现了明显的材料剥蚀现象,分析结果表明,空泡在极短时间内高速溃灭,它所形成的冲击波压强高达500-750MPa,在1cm2表面每秒将有超过3*107个空泡生成和溃灭,以极高频的冲击波重复作用于靶体对于空蚀的产生起到了重要作用;胡影影等人通过数值模拟及实验验证了空泡溃灭时产生的冲击压力最大值的空间位置,结果表明,冲击波压力最大值发生在距离空泡泡壁68μm处,在溃灭瞬间达到1GPa以上;研究认为空泡溃灭的瞬间所产生的冲击脉冲时空化效应一系列作用的重要因素。

3.群泡溃灭理论

    为了减小试验及模拟难度,大多采用单空泡来进行空化现象的研究,但是实际水体中,空泡总是成群出现,丹麦学者Morch认为空泡群的外层空泡最先溃灭,率先溃灭的空泡产生的压力脉冲会增大其他空泡的环境压力,后续空泡溃灭时将会爆发出更大的冲击压力,Shima对群泡溃灭问题从理论层面进行了探讨,他对水中2个相近空泡在溃灭过程中的相互影响进行了理论探索,导出了不可压缩流体中双泡的控制过程,结果表明,当两个空泡距离足够近时,会产生相互扰动,溃灭时所辐射处的冲击压力更大,基于能量传递理论,运用分层溃灭模型对群泡的溃灭冲击波进行分析,证明了以冲击波传播方式表现出来空泡间的相互作用,是最后的溃灭的空泡产生的辐射压力提高了几个等级。


      水射流空化内在机理的理论研究主要集中在上述几个方面,通过理论推导、数值模拟、试验观测等方式,以空化数作为空化强度的主要衡量指标,考虑到空化效应的负责性目前也有一些新的观点被提出,如电化学理论,边壁效应、化学腐蚀、液体粘度、喷嘴结构。


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