基于激光空化的固体材料壁面附近群空泡空蚀机理研究

课题采用激光空化的方法开展壁面附近群空泡空蚀发生的微观过程及特性研究。基于激光空化技术，可在液体中形成具有不同尺寸、密度、分布特征的空泡区，并可调整激光参数、液体参数对其进行控制，进而使激光空化与螺旋桨在不同运行状态下的空化具有相似性。课题将建立群空泡相互作用、近壁面空泡溃灭冲击压力等理论模型，采用可调参数激光器、光学聚焦系统在固体材料壁面附近产生可控的空泡区。在不同水质、壁面材料及面型等条件下，利用高速摄影、水听器测量等方法实现空泡特性与空蚀强度、空化噪声相关性以及多空泡脉动、空泡溃灭冲击波、微射流相互作用的定量研究。.利用激光空化技术研究实际空蚀特性是壁面材料空蚀机理研究的新思路、新方法，是空化空蚀研究从宏观走向微观的新途径，具有可控、可测、可视等特点。课题的研究对阐明空蚀发生的微观过程及机理规律有重要意义。研究成果可为螺旋桨、水轮机等抗空蚀、噪声抑制提供静态试验测试基础。

空化所引起的材料空蚀和水动力载荷一直是国际上相关领域的重难点研究问题。高功率激光空化所产生的空化空泡，具有良好的球对称性、可控性、稳定性等优点，可在液体中形成具有不同空间位置、尺寸、密度、分布特征的空泡区，可为水动力空化空蚀研究提供新的技术途径。主要研究成果如下: .（1）开展了激光空化现象的机理及高速摄像测试研究。从理论方面全面分析了激光击穿液体介质的空化过程，冲击波特性以及液体参数对空泡脉动以及反弹等脉动特性的影响。通过高速摄影技术研究了自由场中单激光空泡的脉动特性与激光参数、液体性质等因素的关系。.（2）采用数值模拟和高速摄像测量研究了激光空泡在自由液面和刚性壁面两种边界条件下的脉动特性。空泡在刚性壁面附近时：当r1＜3（r1等于空泡中心距刚性壁面的距离与激光空泡最大半径之比），激光空泡在溃灭的过程中产生指向壁面的射流；当1.4≤r1＜2，激光空泡在第二次溃灭过程产生射流，并吸附在刚性壁面上脉动；当r1＜1.4，激光空泡在第一次溃灭过程中就接触壁面，产生对刚性壁面影响区域比较大的射流；空泡离刚性壁面越近，空泡脉动周期越长，空泡的最大半径越小。 .（3）利用同步激光分光聚焦技术，研究了激光双空泡在自由场和刚性壁面条件下的脉动特性。在自由场中，随着空泡之间间距的减小，空泡的脉动周期变长，Bjerknes引力越大，泡心向中心运动的加速度越快；双空泡在垂直布置时的脉动周期整体都比水平布置短。空泡在刚性壁面附近脉动时，当r1＞3时，壁面对空泡脉动影响比较小；当1.1＜r1≤2时，在脉动过程中，空泡向泡心之间运动的速度大于空泡向壁面的运动速度；当0＜r1≤1.1时，壁面对空泡的作用力大于空泡之间的作用力；空泡间距越小，离壁面越近，双空泡脉动的周期越长。.（4）开展了激光空泡和水动力空泡的相似性研究，验证了激光空化技术应用于水动力空泡空蚀定量模拟的可行性。通过激光空泡对壁面的累积破坏作用进行空蚀的相似性实验研究：当r1＜0.6时，刚性壁面空蚀主要是由空泡的溃灭冲击波造成的；当0.6≤r1＜1.4时，冲击波和微射流对壁面空蚀的影响都存在，但是微射流所造成的空蚀程度大于冲击波；当1.4≤r1＜3时，壁面空蚀主要是微射流造成的；随着 值的减小，抵达壁面的微射流速度变大。. 本文研究成果对阐明空化空蚀机理有重要意义，可为螺旋桨、水轮机等抗空蚀抑制提供静态试验测试基础

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