渦構造を伴う流れに生じるキャビテーションの挙動特性に関する研究

涡流结构流动空化行为特征研究

基本信息

批准号：
14750119
负责人：
渡邉聡
金额：
$ 2.05万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

渦構造が存在する高速流れでは渦心近傍が低圧となり,作動流体が液体の場合には低圧部にキャビテーションが観察されることが多い.本研究では縦渦や横渦などの渦構造の違いとキャビテーションの挙動特性との関係を明らかにすることを目的としており,本年度は特にその対象を横渦に絞り,周囲流れ場とキャビテーション挙動に関する研究を行った.実験では,二重円筒(径100mm,60mm)と2枚の円盤(外径99.5mm,98mm)により形成された軸対称の矩形キャビティ内に,外壁と円盤との間から高速隙間流れを流入させることにより強い横渦流れを実現し,壁面静圧計測,流れの可視化,キャビテーション挙動観察を中心とした実験計測をアスペクト比(長さ/深さ)AR=0.5,1.0,1.5,2.0の4種の矩形キャビティに対して行った.その結果,渦構造そのものに関してはアスペクト比により大きく異なることが判明し,深い矩形キャビティ(AR=0.5,1.0)の場合には安定した強い横渦がキャビティ内に形成されるのに対し,浅い矩形キャビティ(AR=1.5,2.0)の場合には複数の局所的な横渦がキャビティ内を非定常的に対流することが観察された.このことは数値解析によっても確認され,アスペクト比の大きい場合に見られた非常に複雑な渦挙動も精細に模擬された.一方,キャビテーションに関しても渦構造の違いによる影響が明確に現れ,特にアスペクト比が小さく強い安定な横渦が形成される場合には比較的高い周囲圧力において渦中心近傍でキャビテーションが急成長するのに対し,アスペクト比が大きい場合には多数の微小キャビテーション気泡が複数の横渦により支配される流れ場中を対流し,周囲圧力の低下に伴いそれらが結合して大気泡が形成されていく様子が確認された.今後は,画像処理技術等により渦構造とキャビテーションの成長挙動を定量的に明らかにしていく予定である.

在具有涡流结构的高速流动中，涡流中心附近压力较低，当工作流体为液体时，常常在低压区域观察到空化行为特征之间的关系。今年，我们重点关注横向涡，对其周围流场和空化行为进行了研究。实验中使用了一个双圆柱体（直径100毫米、60毫米）和两个圆盘（外径99.5毫米，9通过将外壁与圆盘之间的高速间隙流注入8毫米形成的轴对称矩形空腔中，实现强烈的横向涡流，从而实现壁面静压测量、流动可视化和空化行为观察。实验测量对长宽比（长度/深度）AR = 0.5、1.0、1.5和2.0的四种矩形腔进行了研究。结果发现，涡流结构本身根据长宽比的不同而有很大差异，而深矩形空腔（在AR=0.5、1.0）的情况下，腔内形成稳定而强烈的横向涡，而在浅矩形腔（AR=1.5、2.0）的情况下，腔内形成多个局部横向涡。观察到不稳定对流。数值分析也证实了这一点，并且也精确模拟了大纵横比情况下的高度复杂的涡流行为。另一方面，也清楚地看到涡流结构差异对空化的影响，尤其是空化。方面当长宽比较小时，形成强烈且稳定的横向涡流时，在相对较高的环境压力下，空化在涡中心附近迅速增长，而当长宽比较大时，许多微空化气泡形成多个横向涡流，这证实了对流。发生在以涡流为主的流场中，随着环境压力的降低，它们结合形成气泡。将来，我们将使用图像处理技术来研究涡流结构和空化的增长，我们计划定量地阐明这种行为。。