激光诱导空泡脉动瞬态特性及影响因素研究

发布时间：2020-07-01 23:58

【摘要】：空化是水力机械中常见的一种瞬态流体现象,通常会对设备关键零部件造成空蚀破坏,降低水利设备的工作效率和服役寿命。激光诱导产生空泡是目前研究空化机理的重要手段,现有的研究结果表明,通过控制激光参数,激光诱导空泡可以应用到材料表面强化和微加工等领域。本文采用数字模拟和实验研究相结合的方法,研究了激光诱导空泡在无限域、固壁面和“V”型结构三种环境下的脉动瞬态特性,并分析激光能量、离焦量、温度等因素对激光诱导空泡脉动瞬态特性的影响。主要的研究结果如下:(1)分析了不同环境下激光诱导空泡瞬态特性和速度场分布。运用ANSYS Fluent软件并结合激光热效应、空化模型、湍流模型等理论,模拟固壁面和“V”型结构内的空泡脉动特性,并重点研究空泡内的速度场分布。研究结果表明:空泡在脉动的同时会有靠近固壁面的运动趋势,同时空泡内部会形成类似于微射流的速度场,表明此时空泡具备产生微射流的条件。另外,速度场的变化表明空泡在脉动的同时存在小角度的旋转。(2)实验研究了不同环境下激光诱导单空泡的瞬态特性。根据高速相机捕获的空泡脉动序列图,获得不同环境下单空泡的脉动序列、空泡壁序列、空泡壁的脉动速度和空泡直径等有效结果与规律。(3)对比分析了无限域、固壁面和“V”型结构中空泡的产生条件和脉动规律。无限域中产生空泡所需要的激光能量较高,而“V”型结构中空泡的产生对离焦量有特定的要求。与无限域、固壁面环境下相比,“V”型结构内产生的空泡脉动周期和空泡的尺寸较小。(4)发现了温度对不同环境下激光诱导单空泡瞬态特性的影响规律,并提出温度场耦合空泡脉动周期优化公式。通过采集不同温度下无限域和固壁面附近的激光诱导单空泡的瞬态特性,分析温度对空泡最大脉动直径、周期、脉动速度等特性的影响。研究结果表明,温度是影响空泡脉动周期、最大脉动直径的重要因素,但对脉动速度的影响较小。空泡的最大脉动直径随着温度的增加而增加,且当温度在330K左右时,温度变化对空泡的最大脉动直径影响相对较小。由于温度对固壁面附近空泡脉动周期有较大影响,且周期随温度的变化趋势与饱和蒸汽压随温度的变化趋势基本一致,所以基于实验结果,在Rayleigh等人提出的空泡脉动周期公式的基础上,本文提出了温度场耦合空泡周期优化公式。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV136

【参考文献】