水翼空化条件下溶解气体对表面压力影响的实验研究

作者及机构
本研究由日本九州大学机械工程系的Y. Matsuura、D. Tsuji（研究生院）与S. Watanabe、S. Tsuda（机械工程系）合作完成，成果发表于2022年的《Journal of Physics: Conference Series》（卷2217，文章编号012020），隶属于第16届亚洲国际流体机械会议论文集。

学术背景
空化（cavitation）是流体力学中因局部压力低于饱和蒸汽压导致液体汽化的现象，常见于船舶螺旋桨、水轮机等高速流体机械中。溶解气体（dissolved gas）被认为是影响空化特性的关键因素之一，但其具体作用机制尚未完全明确。例如，溶解气体可能通过扩散进入空泡，改变空泡内部压力，进而影响空化起始条件（cavitation inception）和动态行为（如空化迟滞效应）。本研究以Clark Y-11.7%水翼为对象，系统探究溶解氧浓度（DO, dissolved oxygen）对空化形态及表面压力的影响，旨在填补该领域实验数据的空白，并为流体机械设计提供理论依据。

研究流程与方法
1. 实验装置与对象
- 空化水洞（cavitation tunnel）：采用闭合循环系统（容积6 m³），测试段截面尺寸为200 mm（高）×81.5 mm（宽），内置Clark Y-11.7%水翼（弦长C=100 mm，展长S=81 mm）。
- 压力测量：在水翼吸力面布置5个压力测点（位置标准化为弦长的0.2、0.35、0.5、0.65、0.8倍），同步采集上下游压力波动（采样频率1 kHz，时长15秒），并通过FFT（快速傅里叶变换）分析空化振荡频率。
- 可视化：结合高速摄像记录空化形态动态变化。

1. 实验设计

   • 变量控制：
     
     • 溶解氧浓度：低DO（<30%饱和）、中DO（~50%）、高DO（>70%）。
       
     • 攻角（angle of attack）：8°（低分离风险）与20°（强分离流）。
       
     • 流速：8.1 m/s（8°）与5.6 m/s（20°），对应雷诺数Re≈5.6×10⁵。
       
   • 流程：分阶段降低测试段压力（减压过程，decompression）至超空化（super-cavitation），再逐步恢复至常压（加压过程，pressurization），记录各空化数σ（σ=(pₜ−pᵥ)/0.5ρU²）下的压力系数Cₚ（Cₚ=(pᵢ−pₜ)/0.5ρU²）。

2. 数据分析

   • 空化形态分类：通过高速影像识别涡空化（vortex cavitation）、过渡振荡空化（transitional cavity oscillation）等模式。
     
   • 频域分析：提取压力波动的斯特劳哈尔数（Strouhal number, St=fC/U）以量化空化振荡特性。
     

主要结果
1. 攻角8°下的空化行为
- 表面压力：不同DO条件下Cₚ差异不显著，且无明显迟滞效应（图3）。
- 空化振荡：过渡振荡空化时（σ≈1.25），高DO工况的振荡频率（St≈0.1）高于低DO（图4）。这表明溶解气体扩散会减缓空泡溃灭，延长振荡周期。

1. 攻角20°下的关键发现
   
   • 涡空化阶段（σ=2.4–2.8）：高DO工况下，前缘涡空化范围扩大，导致测点p₁–p₃的Cₚ显著低于其他工况（图5a–c）。高速摄像显示，高DO促进前缘空泡生长（图8b–d）。
     
   • 过渡振荡阶段（σ≈2.0）：高DO时空泡更易覆盖翼面（图8），使时均压力进一步降低。FFT分析表明，中DO工况的迟滞效应可能与振荡幅值变化相关（图9）。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 揭示了溶解气体通过扩散效应（gas diffusion）改变空泡动力学，尤其在高攻角下显著影响空化形态与表面压力分布。
- 验证了DO浓度对空化振荡频率的调控作用，为“整流扩散理论（rectified gas diffusion）”提供了实验支持。

1. 应用价值
   
   • 指导流体机械设计中溶解气体浓度的优化，例如通过控制DO延缓空蚀（cavitation erosion）或抑制振动噪声。
     
   • 为CFD模拟中非凝结气体（non-condensable gas）模型的改进提供数据基准。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合多测点压力同步采集与高速摄像，实现了空化动态与表面压力的时空关联分析。
2. 新发现：首次报道了高DO条件下空泡对翼面覆盖效应的增强现象，并量化了其对时均压力的影响。
3. 工程启发性：提出溶解气体浓度可作为主动控制空化的潜在参数，尤其在船舶推进系统中有应用前景。

资助与致谢
本研究受日本学术振兴会（JSPS）科研补助金（JP 20K04269）支持。