近壁區空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)過(guo)(guo)程中，常伴隨(sui)著(zhu)氣液交(jiao)界(jie)面(mian)的(de)劇烈變形(xing)，局部氣液交(jiao)界(jie)面(mian)具有極大(da)的(de)曲率，在這些地方，表(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)往(wang)往(wang)對(dui)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)演(yan)(yan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)形(xing)態、潰(kui)(kui)滅(mie)強度、微射流分布(bu)具有重要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)。而目前基于LBM偽(wei)勢模型(xing)的(de)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)過(guo)(guo)程的(de)模擬極少考(kao)慮表(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)對(dui)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)演(yan)(yan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)。因此本研究引入表(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)調(diao)節(jie)外力(li)(li)項，建立可調(diao)節(jie)表(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)的(de)LBM偽(wei)勢空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)模型(xing)，分析不同表(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)對(dui)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)過(guo)(guo)程的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)，揭示表(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)對(dui)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)微射流流速(su)分布(bu)、最大(da)壓力(li)(li)變化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)、空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)形(xing)態演(yan)(yan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)。

表面張力(li)對空化泡潰滅(mie)過程的影(ying)響

本節選取空化泡內外初(chu)始壓差(cha)Δp=0.003 8、0.006 8、0.010 2 mu/(lu·tu2)三種壓力，無量綱距離λ=1.6條件下(xia)，不同(tong)表面張力系(xi)數對空化泡潰(kui)滅(mie)過程中潰(kui)滅(mie)形態、流(liu)場(chang)、最(zui)大微(wei)射流(liu)速度和最(zui)大潰(kui)滅(mie)壓力的影響。

圖1展示了(le)Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)不(bu)同表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)條(tiao)件(jian)下(xia)空化泡(pao)潰滅(mie)最終形(xing)態及流場。對比不(bu)同表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)條(tiao)件(jian)下(xia)壓(ya)力(li)(li)分布，隨著(zhu)表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)減小，空化泡(pao)上方高(gao)壓(ya)區面(mian)(mian)積增(zeng)大，同時空化泡(pao)與(yu)壁(bi)面(mian)(mian)之間的(de)低壓(ya)區面(mian)(mian)積減小。在較小表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)條(tiao)件(jian)下(xia)，空化泡(pao)更(geng)易發生(sheng)變形(xing)，界面(mian)(mian)曲率半徑更(geng)小，空化泡(pao)潰滅(mie)最終時刻形(xing)變更(geng)大，導致潰滅(mie)形(xing)成的(de)微射流流速更(geng)為集中。

圖1不同(tong)表面張力條件下(xia)空(kong)化泡潰滅(mie)最終(zhong)時刻密度、速度和壓力分布密度

圖(tu)2展示了(le)(le)Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)時不同表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)條(tiao)件(jian)下空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)最大流速和最大壓(ya)力(li)(li)(li)演化(hua)(hua)(hua)(hua)過(guo)(guo)程(cheng)。潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)更(geng)(geng)大的表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)條(tiao)件(jian)下空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)積蓄了(le)(le)更(geng)(geng)多的表面(mian)(mian)能(neng)，并在潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)最后(hou)階段迅(xun)(xun)速釋放(fang)，導致了(le)(le)更(geng)(geng)大的空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)速度(du)。隨著表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)增加(jia)(jia)(jia)(jia)，空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)時間增加(jia)(jia)(jia)(jia)，同時空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)最大流速也相應增加(jia)(jia)(jia)(jia)。當(dang)表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)由(you)(you)(you)0.001 9 mu/tu2增加(jia)(jia)(jia)(jia)到0.018 3 mu/tu2時，空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)流速由(you)(you)(you)0.404 lu/tu增加(jia)(jia)(jia)(jia)到0.512 lu/tu，速度(du)增加(jia)(jia)(jia)(jia)了(le)(le)26.8%。由(you)(you)(you)圖(tu)2(b)可知，在空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)最后(hou)階段，由(you)(you)(you)于空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)內水蒸(zheng)氣在短時間內發生(sheng)相變，潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)壓(ya)力(li)(li)(li)迅(xun)(xun)速增加(jia)(jia)(jia)(jia)。且更(geng)(geng)大的表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)阻礙了(le)(le)空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)的形(xing)變和潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)，導致空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)壓(ya)力(li)(li)(li)減(jian)小。在Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)壓(ya)力(li)(li)(li)條(tiao)件(jian)下，當(dang)表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)由(you)(you)(you)0.001 9 mu/tu2增加(jia)(jia)(jia)(jia)到0.018 3 mu/tu2時，空(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)泡(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)最大壓(ya)力(li)(li)(li)由(you)(you)(you)0.049 mu/(lu·tu2)增加(jia)(jia)(jia)(jia)到0.064 mu/(lu·tu2)。

圖2不(bu)同表(biao)面張力(li)條件下(xia)空化泡(pao)潰滅過程中(zhong)最(zui)大速度和(he)最(zui)大壓力(li)演化過程

不同表(biao)面張力(li)(li)和(he)初(chu)(chu)(chu)始(shi)空(kong)化(hua)(hua)(hua)泡(pao)(pao)(pao)內外(wai)壓(ya)差(cha)(cha)條(tiao)件下空(kong)化(hua)(hua)(hua)泡(pao)(pao)(pao)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)微(wei)(wei)射(she)(she)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)速(su)、壓(ya)力(li)(li)和(he)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)時間(jian)變化(hua)(hua)(hua)規律如圖3所示。隨(sui)著(zhu)初(chu)(chu)(chu)始(shi)內外(wai)壓(ya)差(cha)(cha)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，不同表(biao)面張力(li)(li)條(tiao)件下空(kong)化(hua)(hua)(hua)泡(pao)(pao)(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)產生的最(zui)(zui)大(da)(da)(da)微(wei)(wei)射(she)(she)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)速(su)、最(zui)(zui)大(da)(da)(da)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)壓(ya)力(li)(li)均隨(sui)之增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，但潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)時間(jian)則隨(sui)之減小。初(chu)(chu)(chu)始(shi)空(kong)化(hua)(hua)(hua)泡(pao)(pao)(pao)內外(wai)壓(ya)差(cha)(cha)為0.003 8 mu/(lu·tu2)時，當表(biao)面張力(li)(li)由0.001 9 mu/tu2增(zeng)(zeng)加(jia)到0.018 3 mu/tu2，最(zui)(zui)大(da)(da)(da)微(wei)(wei)射(she)(she)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)速(su)增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)55%，最(zui)(zui)大(da)(da)(da)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)壓(ya)力(li)(li)增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)74%。初(chu)(chu)(chu)始(shi)空(kong)化(hua)(hua)(hua)泡(pao)(pao)(pao)內外(wai)壓(ya)差(cha)(cha)增(zeng)(zeng)加(jia)到0.010 2 mu/(lu·tu2)時，空(kong)化(hua)(hua)(hua)泡(pao)(pao)(pao)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)微(wei)(wei)射(she)(she)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)速(su)僅增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)22%，潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)壓(ya)力(li)(li)僅增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)6%，最(zui)(zui)大(da)(da)(da)微(wei)(wei)射(she)(she)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)速(su)和(he)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)壓(ya)力(li)(li)增(zeng)(zeng)加(jia)幅度均隨(sui)著(zhu)空(kong)化(hua)(hua)(hua)泡(pao)(pao)(pao)初(chu)(chu)(chu)始(shi)內外(wai)壓(ya)差(cha)(cha)的增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)減小，說(shuo)明空(kong)化(hua)(hua)(hua)泡(pao)(pao)(pao)初(chu)(chu)(chu)始(shi)內外(wai)壓(ya)差(cha)(cha)的增(zeng)(zeng)加(jia)會(hui)減小表(biao)面張力(li)(li)對潰(kui)(kui)滅(mie)(mie)(mie)過程的影(ying)響。

圖3不同壓力(li)條件下空(kong)化(hua)泡潰滅過程中各參(can)數隨表面(mian)張(zhang)力(li)的(de)變化(hua)規律

而在相同壓(ya)力(li)條件下，空化(hua)泡潰滅(mie)速度(du)、潰滅(mie)壓(ya)力(li)和潰滅(mie)時(shi)間(jian)均隨(sui)著表面張力(li)的(de)增加而增加。根據(ju)Bjerknes力(li)的(de)定義，空化(hua)泡潰滅(mie)時(shi)間(jian)隨(sui)著表面張力(li)的(de)減小而減小，而時(shi)間(jian)質量變化(hua)率則隨(sui)之增大(da)(da)，導致Bjerknes力(li)增大(da)(da)，說(shuo)明較小的(de)表面張力(li)會促使(shi)空化(hua)泡朝向(xiang)壁面發生(sheng)潰滅(mie)。

依(yi)托于試驗(yan)研(yan)究和宏觀數(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)方法(fa)，研(yan)究者們針對表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)(li)對空(kong)化的(de)影響開展了系統性研(yan)究。LBM模(mo)擬(ni)結果(guo)表(biao)(biao)明表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)(li)對空(kong)化泡潰滅(mie)強(qiang)度(du)(du)(du)具有(you)重要影響，其Bjerknes力(li)(li)隨(sui)(sui)表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)(li)減(jian)小而(er)增大，但潰滅(mie)強(qiang)度(du)(du)(du)卻隨(sui)(sui)之減(jian)小，模(mo)擬(ni)結果(guo)定性上與前人(ren)試驗(yan)結果(guo)和數(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)結果(guo)一致。摻(chan)氣減(jian)蝕是有(you)效減(jian)小空(kong)化空(kong)蝕的(de)重要手段，研(yan)究表(biao)(biao)明摻(chan)氣濃(nong)度(du)(du)(du)將減(jian)小流(liu)體表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)(li)，進而(er)減(jian)小空(kong)蝕強(qiang)度(du)(du)(du)。