云空化内部微泡群流动结构及演化规律研究

云空化内群微泡演化规律及其复杂流动结构是当今水动力学中的重点和难点问题。本申请项目以解决水翼和螺旋桨表面空蚀为应用背景，以非定常气液两相流的云空化内群微泡为研究对象，采用以高速摄像和高速粒子图象测速（TR-PIV）技术与CFD技术相结合的研究方法，重点研究云空化内的流动结构及其微泡群的演化过程，通过分析云空化溃灭中的能量聚焦，为探索运用模型试验和数值方法获得的流场特征预报空蚀风险的新思路做技术储备。近年来随着大负载船舶的使用，对空化、空蚀研究的需求日益迫切。本申请项目提出的研究思路融和了近年来我们在空泡流数值模拟方面的成果和国际上最前沿的空泡观测技术，具有开创性。研究的预期结果，可以帮助我们更深入地了解云空化内的复杂流动结构，同时有助于为空蚀风险预报方法提供新思路，为进一步工程应用奠定基础。

本项目对云空化开展了研究，研究主要针对由片空化如何失稳形成的云空化，研究了云空化的生成机理，云空化流场及其变化规律，以及云空化的内部结构。完成了全部研究内容。.本项目采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，对二维和三维扭曲水翼上的云空化研究了详细研究。在中国船舶科学研究中心空泡水洞中，利用高速摄像观察云空化的生成和演化过程，通过激光干涉成像方法测量了云空化内部结构；利用大涡模拟（LES）方法研究了云空化的形成和演化特性；通过对试验和数值模拟结果的分析，获得了对云空化内部群泡特性和流动特性新的认识。本项目的研究成果对今后有效控制云空化提供了技术基础，同时对建立正确的云空化模型和验证相关数值模拟方法有重要意义。.本项目的主要研究成果有：.1） 试验、数值模拟和理论分析显示，片空泡尾部由于逆压梯度引起的回射流，不仅通过控制片空化脱落导致云空化的生成，，而且是云空化中群泡生成的主要原因，同时形成绕空泡的速度环量影响云空化演化过程； .2）试验测量直接证实了云空化内部是由大量微气泡组成，并获得了云空化演化中不同阶段的群泡尺度谱，微气泡的主要尺度在0.2mm左右；.3）对于复杂的云空化演化过程，通过试验和数值模拟，发现并证实了U型涡在云空化的发展演化中的重要作用。首先阐明了云空化形成之初绕片空泡的速度环量是形成U型涡的主要机制，发现云空化演化中的流动特性主要由U型涡流动特性控制，解释了云空化在向下游运动过程中其U型结构的头部具有向下游倾斜的运动特性，由于U型涡的存在，云空化在演化过程中的微小气泡逐步向涡中心聚集，并在下游高压作用下溃灭。