CN113511297A - 一种利用细丝调控空泡射流消减壁面汽蚀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用细丝调控空泡射流消减壁面汽蚀的方法。本发明在水体下的待保护壁面上，布置细丝阵列，细丝阵列并不破坏壁面结构，当水体浸没平行细丝后，在相互平行细丝阵列中间出现的空化气泡，由于气泡靠近壁面和远离壁面两侧压强等参数的不对称，气泡在溃灭后产生指向细丝的射流，细丝阵列的存在会同时诱导多个射流的产生，在同等空化气泡最大半径，通过改变细丝间距和丝径，可以有效控制空化气泡射流强度，同等细丝半径和间距下，改变细丝数量可以有效控制空化气泡射流个数，使得射流个数随细丝数量增加而增加，同时降低射流强度。本发明利用的细丝可靠性更好，受力面积更小，能够稳定调控射流方向和强度的同时本身受到的射流冲击力更小。

Description

一种利用细丝调控空泡射流消减壁面汽蚀的方法

技术领域

本发明涉及水或水溶液中空化气泡对壁面汽蚀的消减，简单来说就是调控空化气泡射流的方向及射流数量来消减壁面汽蚀，属于多相流、抗汽蚀和医疗技术领域。

背景技术

气泡溃灭问题一直是流体力学领域研究的热点问题，空化气泡技术在工业生产、水处理、生物制药、生命科学等多个领域获得了广泛的应用。当流体内部压强降低到某一临界值时，流体内部的液体汽化或充当气核的气泡迅速向外膨胀，出现大量的气泡，这种现象与沸腾不同，为与之区别称之为空化现象。由于流体具有的流动性，空化后的气泡难以保持其形状，被周围的流体挤压后收缩直至消失，这一过程称之为气泡溃灭。当附近存在壁面时，气泡会发生非对称溃灭，溃灭时气泡表面出现单侧内凹，接着产生高速微射流，射流速度可达400m/s，同时产生局部的高温高压。气泡溃灭产生的冲击波和微射流作用在壁面上，会对壁面产生冲击作用，从而产生汽蚀，损坏水下机械的表面，引起水下机械表面振动。

气泡的溃灭现象常出现在水下机械设备、船舶、水利设施中。在机械领域中，空化气泡溃灭所产生的冲击空蚀作用，能造成冲击波和高速射流，对水利设备造成难以挽回的损害。在低温流体中由于壁面的扰动极易诱导空泡及其溃灭，因此在低温燃料如液氢、LNG中新型接液材料的开发中，如何有效消减空泡溃灭的强度，增强材料表面的抗汽蚀性能、燃料管路和容器的安全性是亟待解决的前沿问题。

所以在抑制空化的领域中，如何调控空化气泡溃灭产生的射流方向和强度是这个领域的关键，目前抗汽蚀的方法大多数是抑制空化气泡的产生，但是效果并不好。

发明内容

针对水泵、水轮机、水下弹体等高速水力设备中，水体中的气泡在常温下，因为压强、流速等因素影响，气泡会溃灭产生巨大的冲击力和射流，进而破坏材料表面。此外，低温燃料如液氢、LNG中新型接液材料的开发中，气泡的射流方向并不固定，难以控制。为了减少射流对材料的破坏，控制空化气泡溃灭产生的射流方向和强度，本发明提出一种利用细丝调控空泡射流来消减壁面汽蚀的方法，相比于一般壁面，细丝可靠性更好，受力面积更小，稳定调控射流方向和强度的同时本身受到的射流冲击力更小。

为了实现上述目的，有效调控空泡射流消减壁面汽蚀，本发明的技术方案是：

在水体下的待保护壁面上，布置半径小于空化气泡相互平行规则或者不规则的细丝阵列，细丝阵列并不破坏壁面结构，当水体浸没平行细丝后，在相互平行细丝阵列中间出现的空化气泡，由于气泡靠近壁面和远离壁面两侧压强等参数的不对称，气泡在溃灭后产生指向细丝的射流，细丝阵列的存在会同时诱导多个射流的产生，在同等空化气泡最大半径R，通过改变细丝间距H和丝径L，可以有效控制空化气泡射流强度，同等细丝半径和间距下，改变细丝数量可以有效控制空化气泡射流个数，使得射流个数随细丝数量增加而增加，同时降低射流强度。

所述空化气泡为任意空化气泡。

所述细丝半径L为0.02mm～1mm。

所述细丝间间距H为1～10R。

所述细丝可以为任意固体材料。

所述的流体可以为牛顿或非牛顿流体。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

（1）本发明中控制空化气泡射流方向无能量输入，仅依靠空化气泡附近流场压力梯度变化，细丝个数等因素作用，实现空化气泡射流方向与射流强度的调控。

（2）本发明中所受控制的射流的方向可以实现多向射流。

（3）本发明寻找到细丝材料的半径的边界，能够稳定调控空化射流的基础上，控制细丝半径达到微米量级。

（4）本发明的适用性强，调整细丝半径L可以针对不同大小的空化气泡，达到调控射流的目的。此外，细丝阵列可布置于任意待保护壁面，不破坏壁面表面结构同时起到消减射流对壁面汽蚀作用。

（5）对于本发明中提及的细丝半径小，在远小于空化气泡的半径下，还能够稳定诱导空化气泡射流方向。

（6）本发明所使用的细丝相比于一般壁面，可靠性更好，受力面积更小，稳定调控射流方向和强度的同时本身受到的射流冲击力更小，能够长期使用。

附图说明

图1 壁面上平行细丝阵列示意图；

图2 L=1mm，H/R=1双细丝空化气泡阵列射流图；

图3 L=1mm，H/R=2双细丝空化气泡阵列射流图；

图4 L=0.3mm，H/R=1双细丝空化气泡阵列射流图；

图5 L=0.02mm，H/R=1双细丝空化气泡阵列射流图；

图6 L=1mm，H/R=1三细丝空化气泡阵列射流图；

图7 L=1mm，H/R=1四细丝空化气泡阵列射流图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，在水体1中的待保护壁面4上放上相互平行、规则或者不规则的细丝2阵列，调节细丝2阵列，使细丝之间保持平行，其中空化气泡3在细丝之间产生。

当水体浸没全部细丝后，由激光诱导，在细丝间产生稳定的空化气泡，由于有细丝阵列的存在，造成流场中的压力梯度，空化气泡迅速膨胀最大之后发生溃灭并产生射向细丝的射流。若所控制的空化气泡其最大半径为R,为达到控制空化气泡射流方向及射流强度的目的，则控制的细丝间距H为1～10R，在此范围内，空化气泡能产生稳定射流，实际得到的控制效果与预期目标重合度较高，因此细丝对控制空化气泡射流方向及射流强度的效果较为理想。

将细丝垂直于壁面放置水体中，与空化气泡产生处位于同一竖直面内，并控制上下细丝使空化气泡产生在细丝中心点，便于观察空化气泡射流方向和强度，空化气泡在水中无细丝为自由溃灭，在同等空化气泡最大半径R和丝径L下，改变细丝间间距H可以有效控制空化气泡射流强度，当细丝间间距为1R～10R，此范围内，空化气泡在细丝间发生溃灭并产生射流，朝向细丝如图2所示，空化气泡在t=0µs产生，开始膨胀，受到细丝作用，空化气泡开始变形，向无细丝方向生长，t=60µs气泡生长到最大，由于压力梯度的存在，气泡开始向内坍塌，并在t=120µs开始产生射流，朝向细丝，产生对称方向的射流，由于射流强度大，射流在撞击细丝后导致空泡一分为二，t=180µs，射流结束。改变细丝间距H，如图3所示，在t=120µs开始产生射流，此时由于间距的影响，射流强度减弱，射流在撞击细丝后并未使空泡一分为二，t=180µs，射流结束。在同等空化气泡最大半径R和间距H下，改变细丝半径L也可以有效控制空化气泡射流强度，如图4所示，在t=120µs开始产生射流，射流从图中能看出射流强度相较于图2有明显的减弱，t=180µs，射流结束。继续改变细丝半径L，当细丝半径等于0.02mm时，如图5所示，在t=120µs射流强度继续减少，但还是能够产生稳定的射流。

改变细丝数（如图6所示）能够有效控制空化气泡射流个数和强度，不同的细丝个数可以控制不同数量的射流（如图6，图7所示）。当空化气泡的最大半径R、细丝半径L和细丝间距H固定时，每增加一个细丝，会多产生一个射流，从而达到消减射流强度的作用。

综上所述，合理的通过控制细丝间间距H、细丝半径L及细丝个数可以有效的达到调控空泡射流方向和数量消减壁面汽蚀的目的，且细丝半径可控制远小于空化气泡达到微米量级，在保护壁面的同时保护细丝本身，以便于长期使用，因此该方法在水下装备抗汽蚀提升、医疗技术领域具有极大的价值。

Claims (4)

1.一种利用细丝调控空泡射流消减壁面汽蚀的方法，其特征在于：

在水体下的待保护壁面上，布置细丝阵列，细丝阵列并不破坏壁面结构；当水体浸没细丝阵列后，若设细丝阵列中出现空化气泡，由于气泡靠近壁面和远离壁面两侧压强等参数的不对称，气泡在溃灭后产生指向细丝的射流，细丝阵列的存在会同时诱导多个射流的产生；

在同等空化气泡最大半径下，通过改变细丝间距和丝径，能有效控制空化气泡射流强度；

在同等细丝半径和间距下，改变细丝数量能有效控制空化气泡射流个数，使得射流个数随细丝数量增加而增加，同时降低射流强度。

2.根据权利要求1所述的一种利用细丝调控空泡射流消减壁面汽蚀的方法，其特征在于：所述的细丝阵列中的细丝半径小于空化气泡的半径，细丝间相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种利用细丝调控空泡射流消减壁面汽蚀的方法，其特征在于：所述细丝半径为0.02mm～1mm。

4.根据权利要求1所述的一种利用细丝调控空泡射流消减壁面汽蚀的方法，其特征在于：所述细丝间间距为1～10R，R为空化气泡最大半径。

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