力学所在空化流动数值模拟方法研究中取得进展

来源：中科院力学所

空化现象是水下高速航行体和高速推进技术面临的主要问题，其可能诱发噪声、系统运行异常、结构振动甚至破坏等负面影响。其中，云状空化是最为常见的一种空化类型，它本质上是由大量微小空泡组成的空泡群。空泡群典型溃灭压力幅值和作用时间与单空泡的溃灭压力特征相差较大。一般认为云状空化溃灭产生的压力脉冲是造成结构破坏的主要原因。当前对于云状空化的模拟大部分集中于单流体的混合物模型，均匀化处理方法在工程实际问题的解决上做出了很大贡献，但是它难以获得内部的微观气泡分布状态，未能考虑气泡相互作用对溃灭压力的影响，因而在机制的理解，定量的程度，结果的适用条件以及参数的选取等多方面存在不确定性。只有对空化流场的微观细节及微观流场对宏观效应的影响机制进行深入研究，才能掌握云状空化演化及其溃灭的细节与机理，准确分析溃灭带来的宏观效应。

关键科学问题在于如何考虑宏观流场对于细观尺度的作用，以及如何在均匀流场中反映细观尺度的影响。针对这两个问题，首先需要能够描述内部结构演化，其次，还需要将这些变化的影响反馈到宏观流场中。对此，我们建立了两个模型：一个是通过引入气泡数密度来表征空化区内部结构，并建立气泡数密度的输运方程来模拟云状空化内部演化；另一个是基于空泡群的空化模型。这样就形成了一个宏观-细观耦合的计算方法。并利用该方法对于云状空化的形成机制与溃灭压力特征进行了分析。

利用该模型，我们对云状空化流动的机理有了更进一步的认识：得到了更丰富的流场信息，获得了空化区从透明的层状空泡向不透明的云状空泡的演化过程，以及背后的机制：回射流与气泡的相互作用。回射流越强，气泡越容易破碎成小气泡。

图1  空泡形态演化过程

图2  回射流导致云状空泡的形成

其次是细观结构对溃灭的影响机制。与当前最常用的Singhal模型进行对比，当前模型能够刻画气泡数密度分布不均匀导致的局部高压。同时，基于气泡群的模型获得的溃灭压力比Singhal模型的计算结果更大，与直接模拟获得的气泡群加速溃灭的特征一致。

图3  气泡群加速溃灭形成更高压力

图4  空化模型的对比

空化流动的微观机理及宏观效应是一个多尺度的问题。当前的工作仅仅是初步搭建了框架，未来还需要从小尺度空化流动微观物理机制上逐步深入，研究空泡在不同湍流流动中的相变过程、分裂、融合以及气泡间相互作用等细观尺度的行为，为建立相应的物理模型奠定基础。