云空化内部介质的多尺度特征研究

【作者】 张浩； 刘筠乔； 王本龙；

【机构】 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院力学系；

【摘要】 空化是一种特殊的水汽剧烈相变现象,常发生在舰艇螺旋桨和水下航行器表面,造成空蚀、振动和噪声等负面效应,严重影响舰艇的安全性和隐身性能。在空化的诸多形式中,片/云空化流动是一种多尺度、非定常的复杂两相流动现象,仍需深入研究和特别关注。在空泡水筒中,开展了不同空化数工况下的水翼片/云空化流动的实验研究。将水翼吊装在空泡水筒中央,远离水筒两侧壁面,减小侧壁边界层的发展对空泡脱落行为的影响。将可以识别水汽两相的光纤探针伸入到空化区内部,采集片/云空泡内的水汽两相信号,以接触式测量的方式获取传统光学手段无法测量的空泡内部介质特征。针对由光纤探针采集的空化区内部水汽两相信号,采用多种时间尺度分析信号从整体到局部的特征。首先计算在总测量时间内的平均含汽率,给出不同流向位置、不同垂向测点的总体水汽混合情况,发现由片空化区域到下游云空化经过位置,汽相含量迅速减小;随着空化数的增大,同一流向位置的含汽率整体减小;含汽率因垂向位置的不同而变化很大,在靠近水翼表面的位置,平均含汽率因液相回射流的存在而比较小。接下来分析一个短时间段(0.5 s)内的水汽两相时域信号,发现其中包含若干个空泡周期和大量气泡;在大部分测点和工况中,信号都具有一定的周期性,但信号簇的个数和密度均有所不同;通过连续小波分解方法将信号分解到不同频率的尺度上,包括能量集中的低频尺度和反映单泡信息的高频尺度。随后将信号的时间范围缩小到仅包含一个空泡周期,计算排除液相间隔影响的局部平均含汽率,比总测量时间内的平均含汽率大得多。最后,计算每个汽泡信号对应的速度与泡径,综合所有汽泡信息建立对汽泡的统计描述;利用对数正态分布函数拟合汽泡半径的概率密度分布,得到了在云空化内部不同测点间非常相似的分布;汽泡体积加权的概率密度函数反映了不同大小汽泡对总汽相体积的相对贡献,该结果明显向更大泡径的汽泡集中。更多还原