Page 51 - 《应用声学》2022年第4期
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第 41 卷 第 4 期 单鸣雷等： 曲面固壁附近空化泡溃灭动力学的流体体积数值研究 549
气泡受限的程度对射流驱动的效果具有重要影响，
0 引言
颗粒半径越小、气泡与颗粒间距越近，空泡溃灭时
空化是指液体中局部压强降低，其内部发生汽 对颗粒的推动效果越明显。
以上研究都是关于非平直壁面附近或其他复
化并形成微小空穴 (空化泡) 的过程。流体中的空化
杂边界附近空化泡溃灭动力学问题的相关研究工
泡在遇到周围液体压强增大的情况下，体积将急剧
缩小或溃灭。空化泡溃灭时间很短 (微秒级)，溃灭 作，这些工作并没有涉及空化泡溃灭过程中的热力
时会在局部产生极高的瞬时压强。当溃灭发生在固 学特性的研究。然而在空化泡溃灭的最后阶段，热
效应发挥了极其重要的作用，随着空化泡的溃灭收
体表面附近时，流体中不断溃灭的空化泡所产生的
缩，泡内温度急剧上升，溃灭瞬间温度扩散到周围流
极高压强反复作用于固体表面，对固壁面造成破坏，
体中，对泡外流体或固壁面都将产生重要影响。为
这种现象称为空蚀，也称气蚀 [1−2] 。一方面，空化效
应会产生如水轮机的叶片损伤 [3] 、高速轴承表面材 更全面地了解空化泡溃灭过程，近年来，专家学者们
对空化泡溃灭阶段的热力学问题开展了一系列实
料呈点状脱落及螺旋桨的空蚀噪声 [4−5] 等不利影
验。Vokurka 等 [16] 对电火花诱导生成的空化泡热
响。另一方面，人们发现合理利用空化效应会给生
力学特性进行了实验研究，空化泡表面的温度通过
产生活带来极大的便利，如空化清洗技术用于裂缝
光学传感器和声传感器进行测量，实验结果显示，空
表面的清洁 [6−8] 、使用空化泡作为药物的运输工具
化泡表面温度可以达到5900 K。但实验存在过多的
从而将药物送达病变组织表面 [9−10] 。因此，无论是
不可控因素，且空化泡溃灭过程较为复杂，其温度测
避免还是利用空化效应，都有必要对固壁附近空化
量存在较大的难度。因此，采用数值方法 [17−21] 研
泡溃灭过程进行深入研究。
究空化泡热力学问题显得十分必要。Yang等 [22] 采
目前空化泡在固壁附近溃灭的动力学研究已
用格子玻尔兹曼方法研究了空化泡溃灭的热力学
相当丰富，模型结构也从原始的平直固壁附近空
效应，描述了气液相的温度演化规律。Liu 等 [23−24]
化泡溃灭模型进一步发展为任意几何形状固壁附
使用 VOF 模型讨论了单壁与平行双壁附近空化泡
近空化泡溃灭模型。Tomita 等 [11] 从理论和实验的
溃灭对固壁表面的热影响，研究结果表明，在空化泡
角度给出了曲面边界影响下的气泡动力学特性，研
被射流穿透时，射流速度达到最大值，由于射流冲
究表明，如果边界稍微凹陷，最显著的迁移发生在
击，壁面温度明显降低。但以上研究的物理模型均
第一次气泡溃灭的时候。液体射流冲击气泡表面
为平直固壁，未探讨其他固壁模型对空化泡溃灭的
远侧的速度随着边界曲率的增加而增加。Ma等 [12]
影响。
利用霍普金森杆(the Hopkinson bar, HPB) 测量技
本文采用 VOF 数值模拟方法研究曲面固壁附
术，对不同曲率边界和不同爆炸距离下的电火花气
近空化泡溃灭的过程，并对此模型下空化泡形态演
泡动力学和载荷特性进行了一系列实验研究，并通
化进行实验观测，验证数值模拟方法的有效性。首
过实验结果总结了一些物理量的变化规律。Brujan
先，分析了空化泡近壁溃灭过程中相场、压力场、温
等 [13] 对超声诱导产生的空化泡进行了实验研究，
度场的演化，讨论了空化泡近壁溃灭阶段的热动力
比较了两种尺寸的空化泡近壁溃灭时的射流速度
学作用机理。其次，研究了曲面固壁尺寸、位置参数
与冲击压力的大小，发现尺寸较小的空化泡其射流
对空化泡溃灭时间、射流速度的影响。最后，详细探
速度与冲击压力都要小于大尺寸空化泡。Li 等 [14]
讨了不同条件下，曲面固壁温度的变化情况，深入分
利用流体体积 (Volume of fluid, VOF) 法研究了空
析了高温损伤对固壁表面的作用。
化泡在锥形固壁附近溃灭的过程，提出了锥形固壁
角与空化泡溃灭形态、溃灭时间以及液体射流的关
1 数值方法
联，计算了近锥形固壁空化泡溃灭时间的理论值，
并通过数值模拟验证了此理论值的有效性。魏梦举 数值计算固壁附近空化泡运动过程时，假设空
等 [15] 基于合理的简化模型，重点分析了空泡溃灭 化泡内为水蒸气，满足理想气体状态方程。整个空
过程对球体的影响，研究表明，百微米级气泡能够通 化泡溃灭过程不考虑重力因素的影响 [25] ，忽略气体
过射流方式驱动同尺度固体颗粒向前显著运动，而 与液体之间的质量传递。存在相界面的流动中，直
