论文摘要
空化现象广泛地存在于自然界中,当空化泡周围存在不对称的边界条件时,空泡就会非对称破裂,形成射流,并伴随产生多个冲击波。目前,有关空泡在刚性壁面、弹性壁面和自由液面附近的动力学特征已有很多研究,但缺乏对各种边界条件下空泡与颗粒间相互作用的深入研究,而这些基础研究则是解决水力机械在含泥沙水流等条件下运行时的空化与颗粒联合作用所引起的磨蚀问题的关键。本论文基于激光单空泡实验台,采用高速摄影方法,探讨单空泡与颗粒在无限大空间和刚性壁面等边界条件下的相互作用,定性和定量分析空泡动力学特征及其对颗粒运动的影响。研究中搭建了激光单空泡实验台,该实验台主要由激光器、聚焦透镜组、光源和高速相机等四部分组成。该实验台产生的空泡表面光滑且球形度较好。基于该实验台,首先对无限大空间内单空泡与单颗粒间相互作用进行了实验。实验发现,空泡在固定颗粒附近演变时,其动力学特征主要受特征距离χ(空泡触发位置中心与固定颗粒的最近距离/空泡最大半径)和粒径比β(固定颗粒半径/空泡最大半径)的影响。当β=1.5,1.1<χ≤1.5时,空泡反弹时出现反向射流现象。而当空泡与棉线牵引颗粒相互作用时,空泡动力学特征和颗粒运动主要受特征距离λ(空泡触发位置中心与棉线牵引颗粒最初位置的最近距离/空泡最大半径)和粒径比θ(棉线牵引颗粒半径/空泡最大半径)的影响。当θ一定时,在λ从小变大的过程中,空泡对颗粒依次产生排斥作用、无明显作用和吸引作用。其中,当λ值约等于1时,空泡对颗粒无明显作用。当θ=0.72、1和1.3时,空泡反弹时分裂为两部分所对应的λ区间分别为0.07≤λ≤0.73,0.03≤λ≤0.39和0.02≤λ≤0.23。其次,对引入刚性壁面后空泡与棉线牵引颗粒间相互作用进行了实验。实验发现,当θ=1时,空泡动力学特征和颗粒运动主要受特征距离λ和γ(空泡触发位置中心到壁面的垂直距离/空泡最大半径)的影响。与之前无刚性壁面相比,空泡分裂为两部分的趋势被明显抑制,空泡对颗粒运动影响所对应的λ区间范围增加且作用强度增大,颗粒更易朝向空泡运动。当壁面距离空泡极近时(γ=1和1.05),空泡对颗粒在水平方向上只产生吸引作用。当壁面和空泡的距离较远时(γ=1.93、2.83、3.85、4.63和∞),随着λ的增加,空泡仍然对颗粒依次产生排斥作用、无明显作用和吸引作用。其中,无明显作用所对应的λ值分别为0.15、0.3、0.65、0.8和0.98。再次,对固定颗粒附近的空泡与棉线牵引颗粒间相互作用进行了实验。实验发现,当θ=1和β=1时,空泡动力学特征和颗粒运动主要受特征距离λ和χ的影响。固定颗粒与刚性壁面对空泡与棉线牵引颗粒间相互作用的影响类似,但相比于刚性壁面的影响,固定颗粒对空泡在棉线牵引颗粒附近的分裂行为抑制作用减弱且抑制范围减小。χ值(1.05和2)与γ值(1.05和1.93)相当时,固定颗粒影响下空泡对棉线牵引颗粒起排斥作用的λ区间范围更大。最后,为了消除颗粒的固定措施而引入的影响,对空泡与液体中自由下落颗粒间相互作用进行了实验。实验发现,空泡第一次溃灭形成远离颗粒的射流转捩点为λ=0.5,空泡第二次溃灭形成远离颗粒的射流转捩点为λ=0.8。空泡对颗粒产生排斥作用(λ<0.8)、无明显作用(λ=0.8)和吸引作用(λ>0.8)。此外,分析了引入刚性壁面后空泡对下落颗粒运动的影响,发现了液体射流带动颗粒朝向壁面运动的现象。给出了λ和作用角度α(空泡触发位置中心与空泡触发时下落颗粒质心连线与水平线的夹角)变化时,颗粒运动驱动力的来源所对应的空泡不同演变阶段。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 吕良
导师: 张永学,张宇宁
关键词: 空化,空泡与颗粒间相互作用,空泡动力学特征,颗粒运动
来源: 中国石油大学(北京)
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技
专业: 物理学,地球物理学,水利水电工程,无线电电子学
单位: 中国石油大学(北京)
基金: 国家自然科学基金青年基金项目(项目编号:51606221),中国石油大学(北京)校青年拔尖人才项目(项目编号:2462016YJRC003)
分类号: TV149;TN24
DOI: 10.27643/d.cnki.gsybu.2019.000091
总页数: 149
文件大小: 74545k
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标签：空化论文; 空泡与颗粒间相互作用论文; 空泡动力学特征论文; 颗粒运动论文;