流体机械的多气泡空蚀机理研究(附件)【字数：16670】
摘 要摘 要在正常运行的流体机械的壁面上会存在一些针孔和连续的凹坑，这些凹坑是由空化空蚀造成的。空化空蚀不仅会降低机械的工作效率，还会破坏机械结构的稳定，使机械产生更加剧烈的噪声和振动，增加发生生产事故的风险。因此，对于流体机械的空化空蚀，我们不能够置之不理，应从源头抓起，研究空化空蚀发生的机理，减少空蚀对流体机械的损伤。本文依托于流体力学的基本理论，从空蚀发生前的气泡行为入手，概括性的介绍了从气核到气泡最终破灭的整体过程，对生长中的气泡进行了静力学分析，建立了单个气泡的热力学模型。然后，考虑到气泡存在于气泡群之中，在对气泡进行动力学分析时加入了气泡间相互作用项，借助于Matlab求解气泡动力学方程，分析了气泡数目对气泡的影响，并对其他的影响因素进行了比较。最后，联系水轮机的具体的工作环境，研究电场对气泡的力学作用并建立了电场作用下的气泡动力学模型，使得对空蚀机理的研究更加具有针对性。关键字空蚀；多气泡；动力学方程；矩形实验室；电场
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 空蚀机理的国内外研究现状 2
1.2.1 空蚀机理在微观角度的研究现状 2
1.2.2 空蚀机理在宏观角度的研究现状 3
1.3 论文的主要内容及实施步骤 3
1.3.1 论文的研究内容 3
1.3.2 论文的实施步骤 3
第二章 气泡的行为分析 4
2.1 产生气泡的工作介质 4
2.2 气泡的生成 4
2.2.1 气核 4
2.2.2 气泡生成过程 5
2.3 气泡上升运动概述 5
第三章 气泡的力学分析 7
3.1 球形气泡的静力分析 7
3.2 气泡的热力学分析 9
第四章 多气泡分析 11
4.1 多气泡的动力学分析 11
4.2 多气泡运动影响因素的分析 16
4.2.2 不同液体的表面张力对气泡运动的影响 20
4.2.3 液体的压强对气泡运动的影响 23
4.3 本章小结 26
第五章 电场环境下的气泡分析 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
28
5.1 水轮机空蚀案例 28
5.2 电场对气泡的力学作用 29
5.3 电场中的气泡动力学分析 30
5.4 预防和减轻空蚀破坏的措施 31
总 结 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
空蚀是指液体中的气泡在破灭时产生微射流作用于固体壁面造成损伤的现象，这种现象在流体机械中尤为常见。在液体中的气体除了以溶解的方式存在外，还分布在许多微小的气泡中，这些气泡在空化空蚀研究领域中被称为气核。空蚀的过程实质上是气核生长形成体积较大的气泡、气泡继续上升膨胀并最终破灭的过程，大量的气泡破灭将会使机械壁面受到巨大、反复的冲击，从而引起材料的疲劳损伤甚至表面剥蚀，这样将会严重损耗流体机械的使用寿命，增加额外的发生机械事故的风险。处于不同阶段的空蚀具有不同宏观特征，根据以往的经验总结，在空蚀损伤较轻的机械壁面上会存在一些麻点和针孔，而在空蚀损伤比较严重的区域则会出现蜂窝或海绵状的凹坑[1]。
人们对于空化空蚀的认识最早是从19世纪开始的，当时人们第一次在海军战舰上观察到了空蚀现象，后来在投入运行的流体机械上也发现了类似的凹坑损伤，当时由于基础理论的匮乏以及科研设备的缺少，人们无法对空蚀问题进行切实有效地研究。直到1917年，英国的Rayleigh首次提出了系统化的空化理论，建立了描述气泡运动的动力学方程。Plesset通过后续研究在此基础上对原始的Rayleigh方程进行了改进，建立了新的RayleighPlesset方程，这个方程成为空化空蚀研究领域的基石，可以说后来研究气泡运动各种动力学方程都是从这个方程衍生出去的。
空蚀研究涉及流体力学、材料学、热力学和光学等多个学科，是一个经典难题。目前对于空蚀的研究还缺乏系统的、成熟的理论，只能通过建立某些理想化的模型进行分析。空蚀在不同的领域又有不同的名称，在水轮机领域叫做气蚀，在水力机械领域叫做冲蚀，虽然叫法不同，但研究的都是相同的物理和化学过程[2]。虽然对空化空蚀的研究一直困难重重，但由于对空蚀的研究影响着当代船舶、流体机械、化工、电力等多个产业的发展，因此它仍然是当前国际研究领域的热门课题。
对空蚀的研究不能仅限于范围宽泛的基础理论研究，不同的流体机械空蚀的程度各不相同，在分析影响空蚀的因素时也不应一概而论，除了基础理论研究外，还需要立足于具体的流体机械，根据工作环境研究问题。水轮机是一种将水的动能转化为机械能的流体机械，常用于驱动发电机转动，我国的河流众多，对于发展水电产业来说具有得天独厚的优势，但是目前已经修建并运行发电的水电站都遇到了水轮机空蚀损坏严重的问题，空蚀损坏不仅将会直接导致水轮机的使用寿命降低，还会使发电机组的工作效率下降，产生更加剧烈的噪声和振动。这不仅威胁了发电机组和水电站的安全运行，严重时甚至会影响整个电网的安全运行，因此对水轮机的空蚀问题研究已经成为制约我国水电产业发展的重要问题。而且不仅仅是水轮机，对于整个流体机械领域来说，如果我们能够有针对性地研究空蚀机理，从源头和根本上解决问题，那么就能够卓有成效地解决空蚀对机械的损伤，甚至是使空蚀能够被我们所利用，进而推动相关产业的发展。
1.2 空蚀机理的国内外研究现状
目前对于空蚀问题的研究按照研究方法分的话，主要分为理论分析、数值模拟和实验统计三个方面，本文主要是从理论分析的角度出发的，所以我们在介绍空蚀机理的国内外研究现状时只介绍相关的理论研究。对于空化空蚀的理论分析按照微观和宏观的分类的话又可以分为两类。
1.2.1 空蚀机理在微观角度的研究现状
对空化空蚀的微观研究主要对气泡的生长运动过程进行分析，根据气泡的动力学方程建立不同的空化模型。在建立空化模型时不同的学者考量的影响因素不同，所建立的新的气泡动力学方程也不尽相同。Kubota在气泡动力学的两相模型的基础上，将RayleighPlesset方程与流动求解器相结合，从气泡半径入手，计算出了气相的质量分数[3]。Singhal立足于“全空化模型”，在分析过程中考虑了不可压缩气体的作用，着重研究了液体的压力脉动对空化空蚀的影响[4]。Schnerr和 Sauer将气液两相的混合物理想化为含有球状蒸汽泡的混合物，从气液净质量传输率的角度出发，计算出在整个系统中气液两相的体积分数[5]。上述的几种空化模型都是针对单个气泡的，在整个空化空蚀机理微观分析领域，对单个气泡的分析占到了绝大多数的比例。相对而言，对于多气泡的研究就薄弱的多了。Morch认为对多气泡的研究应该将气泡的小振幅破灭与空化的噪声特征联系起来[6]。而Chahine 则采用奇异摄动法来进行分析，然后通过对改进后的RayleighPlesset方程求解得出气泡群中的气泡数目越多，气泡群溃灭后期越剧烈，压力越大的结论[7]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 空蚀机理的国内外研究现状 2
1.2.1 空蚀机理在微观角度的研究现状 2
1.2.2 空蚀机理在宏观角度的研究现状 3
1.3 论文的主要内容及实施步骤 3
1.3.1 论文的研究内容 3
1.3.2 论文的实施步骤 3
第二章 气泡的行为分析 4
2.1 产生气泡的工作介质 4
2.2 气泡的生成 4
2.2.1 气核 4
2.2.2 气泡生成过程 5
2.3 气泡上升运动概述 5
第三章 气泡的力学分析 7
3.1 球形气泡的静力分析 7
3.2 气泡的热力学分析 9
第四章 多气泡分析 11
4.1 多气泡的动力学分析 11
4.2 多气泡运动影响因素的分析 16
4.2.2 不同液体的表面张力对气泡运动的影响 20
4.2.3 液体的压强对气泡运动的影响 23
4.3 本章小结 26
第五章 电场环境下的气泡分析 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
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5.1 水轮机空蚀案例 28
5.2 电场对气泡的力学作用 29
5.3 电场中的气泡动力学分析 30
5.4 预防和减轻空蚀破坏的措施 31
总 结 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
空蚀是指液体中的气泡在破灭时产生微射流作用于固体壁面造成损伤的现象，这种现象在流体机械中尤为常见。在液体中的气体除了以溶解的方式存在外，还分布在许多微小的气泡中，这些气泡在空化空蚀研究领域中被称为气核。空蚀的过程实质上是气核生长形成体积较大的气泡、气泡继续上升膨胀并最终破灭的过程，大量的气泡破灭将会使机械壁面受到巨大、反复的冲击，从而引起材料的疲劳损伤甚至表面剥蚀，这样将会严重损耗流体机械的使用寿命，增加额外的发生机械事故的风险。处于不同阶段的空蚀具有不同宏观特征，根据以往的经验总结，在空蚀损伤较轻的机械壁面上会存在一些麻点和针孔，而在空蚀损伤比较严重的区域则会出现蜂窝或海绵状的凹坑[1]。
人们对于空化空蚀的认识最早是从19世纪开始的，当时人们第一次在海军战舰上观察到了空蚀现象，后来在投入运行的流体机械上也发现了类似的凹坑损伤，当时由于基础理论的匮乏以及科研设备的缺少，人们无法对空蚀问题进行切实有效地研究。直到1917年，英国的Rayleigh首次提出了系统化的空化理论，建立了描述气泡运动的动力学方程。Plesset通过后续研究在此基础上对原始的Rayleigh方程进行了改进，建立了新的RayleighPlesset方程，这个方程成为空化空蚀研究领域的基石，可以说后来研究气泡运动各种动力学方程都是从这个方程衍生出去的。
空蚀研究涉及流体力学、材料学、热力学和光学等多个学科，是一个经典难题。目前对于空蚀的研究还缺乏系统的、成熟的理论，只能通过建立某些理想化的模型进行分析。空蚀在不同的领域又有不同的名称，在水轮机领域叫做气蚀，在水力机械领域叫做冲蚀，虽然叫法不同，但研究的都是相同的物理和化学过程[2]。虽然对空化空蚀的研究一直困难重重，但由于对空蚀的研究影响着当代船舶、流体机械、化工、电力等多个产业的发展，因此它仍然是当前国际研究领域的热门课题。
对空蚀的研究不能仅限于范围宽泛的基础理论研究，不同的流体机械空蚀的程度各不相同，在分析影响空蚀的因素时也不应一概而论，除了基础理论研究外，还需要立足于具体的流体机械，根据工作环境研究问题。水轮机是一种将水的动能转化为机械能的流体机械，常用于驱动发电机转动，我国的河流众多，对于发展水电产业来说具有得天独厚的优势，但是目前已经修建并运行发电的水电站都遇到了水轮机空蚀损坏严重的问题，空蚀损坏不仅将会直接导致水轮机的使用寿命降低，还会使发电机组的工作效率下降，产生更加剧烈的噪声和振动。这不仅威胁了发电机组和水电站的安全运行，严重时甚至会影响整个电网的安全运行，因此对水轮机的空蚀问题研究已经成为制约我国水电产业发展的重要问题。而且不仅仅是水轮机，对于整个流体机械领域来说，如果我们能够有针对性地研究空蚀机理，从源头和根本上解决问题，那么就能够卓有成效地解决空蚀对机械的损伤，甚至是使空蚀能够被我们所利用，进而推动相关产业的发展。
1.2 空蚀机理的国内外研究现状
目前对于空蚀问题的研究按照研究方法分的话，主要分为理论分析、数值模拟和实验统计三个方面，本文主要是从理论分析的角度出发的，所以我们在介绍空蚀机理的国内外研究现状时只介绍相关的理论研究。对于空化空蚀的理论分析按照微观和宏观的分类的话又可以分为两类。
1.2.1 空蚀机理在微观角度的研究现状
对空化空蚀的微观研究主要对气泡的生长运动过程进行分析，根据气泡的动力学方程建立不同的空化模型。在建立空化模型时不同的学者考量的影响因素不同，所建立的新的气泡动力学方程也不尽相同。Kubota在气泡动力学的两相模型的基础上，将RayleighPlesset方程与流动求解器相结合，从气泡半径入手，计算出了气相的质量分数[3]。Singhal立足于“全空化模型”，在分析过程中考虑了不可压缩气体的作用，着重研究了液体的压力脉动对空化空蚀的影响[4]。Schnerr和 Sauer将气液两相的混合物理想化为含有球状蒸汽泡的混合物，从气液净质量传输率的角度出发，计算出在整个系统中气液两相的体积分数[5]。上述的几种空化模型都是针对单个气泡的，在整个空化空蚀机理微观分析领域，对单个气泡的分析占到了绝大多数的比例。相对而言，对于多气泡的研究就薄弱的多了。Morch认为对多气泡的研究应该将气泡的小振幅破灭与空化的噪声特征联系起来[6]。而Chahine 则采用奇异摄动法来进行分析，然后通过对改进后的RayleighPlesset方程求解得出气泡群中的气泡数目越多，气泡群溃灭后期越剧烈，压力越大的结论[7]。
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