本文档属于类型a（单篇原创研究论文），以下是针对该研究的学术报告：
1. 主要作者与机构
本研究由日本九州大学（Kyushu University）机械工程系的四位研究者合作完成：
- 第一作者Yoshihito Higa（所属：九州大学大学院机械工程系）
- 共同作者Ryo Iida、Shin-ichi Tsuda、Satoshi Watanabe（均隶属九州大学机械工程系）
研究发表于2022年11月27–30日在日本宇都宫举办的第9届亚洲热物理与流体科学联合研讨会（9th Asian Joint Workshop on Thermophysics and Fluid Science, AJWTF2022），标题为《考虑液体中溶解气体平流-扩散与析出的水翼空化流动数值研究》。
2. 学术背景
科学领域：本研究属于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）与空化（Cavitation）现象的交叉领域，聚焦于水力机械设计中由溶解气体（Non-Condensable Gas, NCG）引发的空化效应。
研究动机：空化是高速旋转水力机械（如泵、螺旋桨）设计中的关键问题，其发生受空化数（Cavitation Number）、雷诺数（Reynolds Number）、液体质量（如气泡核数量、溶解气体含量）等因素影响。现有数值模型大多忽略溶解气体在液相中的平流-扩散（Advection-Diffusion）及其在气泡界面的析出/溶解过程，导致预测精度不足。
研究目标：通过扩展经典的Schnerr-Sauer（SS）空化模型，引入非凝结性气体（如空气）的质量传递与液相扩散机制，提升空化流动的数值模拟精度，并分析溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）浓度对空化特性的影响。
3. 研究流程与方法
3.1 模型开发
- 控制方程：基于均质混合模型（Homogeneous Mixture Model），新增了以下方程：
- 液相质量守恒方程（式2）：引入蒸汽（(\dot{m}_v)）与非凝结性气体（(\dot{m}_g)）的源项。
- 气泡内非凝结性气体质量守恒方程（式4）与液相中气体的平流-扩散方程（式5）。
- 关键改进：
- 气体传递模型（式9）：利用亨利定律（Henry’s Law）将气泡表面气体分压与液相浓度关联，通过扩散系数(D)（假设施密特数(Sc=1)）描述湍流扩散效应。
- 气泡动力学模型（式10）：采用简化Rayleigh-Plesset方程计算气泡半径变化率(\mathrm{d}R/\mathrm{d}t)。
3.2 数值模拟设置
- 研究对象：二维Clark Y-11.7%水翼，攻角8°，弦长(c)。
- 计算域：流场尺寸(10c \times 2c)，网格量约23万，基于OpenFOAM的interPhaseChangeFoam求解器，采用k-ω SST湍流模型。
- 边界条件：入口设定流速(U_{\mathrm{in}}=8.1\,\mathrm{m/s})、溶解氧浓度（DO20%、DO50%、DO80%饱和值），出口设定静压，时间步长(1.0 \times 10^{-6}\,\mathrm{s})，总时长0.5秒。
3.3 实验设计
- 变量控制：对比原始SS模型（无气体效应）与扩展模型，分析不同DO浓度（低/中/高）下空化数(\sigma)（1.2–1.6范围）对升力系数（(C_L)）和空穴结构的影响。
4. 主要结果
4.1 升力系数变化
- 在空化数(\sigma=1.2–1.6)区间，扩展模型的(C_L)显著高于原始SS模型，且按SS < DO80% < DO20%的顺序递增（图2）。例如，(\sigma=1.4)时，DO20%的(C_L)比SS模型高约15%。
- 机理：高溶解气体浓度（DO80%）导致前缘附着空穴（Attached Cavity）形成（图4），而低浓度（DO20%）下空穴覆盖更广且空泡分数更高（图3），维持了更低的吸力面压力，从而提升升力。
4.2 空穴动态行为
- DO20%：空穴长度达0.62c，空泡分数高，周期性脱落明显（图3中阶段1–5）。
- DO80%：空穴长度缩短至0.55c，前缘出现稳定附着空穴（图4阶段1），归因于气体析出抑制了空穴脱落。
5. 结论与价值
科学价值：
- 首次在均质空化模型中耦合非凝结性气体的质量传递与扩散过程，为复杂空化流动模拟提供了新框架。
- 揭示了溶解气体浓度通过改变空穴结构与动力学行为影响水力机械性能的机制。
应用价值：
- 为水力机械设计中溶解气体控制（如脱气工艺优化）提供理论依据，可减少空蚀损伤并提高效率。
6. 研究亮点
1. 模型创新：扩展SS模型引入气体扩散方程（式5）与气泡界面传质模型（式9），填补了传统研究忽略液相气体输运的空白。
2. 发现新颖性：首次通过数值模拟证明溶解气体浓度对空穴形态与升力的非线性影响（如DO80%下前缘附着空穴的独特现象）。
3. 方法通用性：模型可推广至其他多相流场景（如化学反应系统中的气泡动力学）。
7. 其他信息
- 资助：本研究受日本JSPS科研费（JP20K04269）支持。
- 数据可用性：未声明公开数据，但模型细节已在论文中完整披露。
（报告总字数：约1500字）