水下航行体壁面多孔排气泡状流动特性实验研究

魏海鹏，张 晶，张瑞明，刘元清，刘涛涛，吕亚飞

（1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

0 引 言

通过改变水下航行体近壁面流动状态以获得预期的力学效应，是一种从水动力源头提高航行体性能的先进技术手段。近年来，利用近壁面多孔排气调节航行体表面流动状态的新技术愈发受到工程技术人员的重视[1]。由于水下航行体近壁面多孔排气射流与主流场相互作用复杂，关于近壁面多孔排气两相流的相关研究成果较少，已有研究主要聚焦在典型横流环境中的射流流动问题（JICF）和水下航行体大尺度空泡多相流演化及流体动力研究。Kamotani等[2]详细描述了孔口下游流场结构特征，首次提出反旋转涡对（CVP）的概念并指出该涡对是构成下游流场的主要结构。Fraticelil 等[3]、Margason[4]、Fric 等[5]对射流中涉及的复杂流场结构进行了系统梳理和完善，指出流场中主要包含反向涡对、马蹄涡及尾迹涡等三种涡系结构，射流表面的环状剪切层涡与反向涡对共同决定了流场的主要特征，射流中出现的大尺度拟序结构在湍流形成、卷吸和掺混过程中起主导作用。在气液两相流的流场结构及流动特性实验研究方面，付细能等[6]结合PIV 系统与高速全流场显示技术，观测了平板表面通气流场的结构和流动特性，实验中通过改变通气量和流速分析了通气率和雷诺数对气液两相流的影响。张宇文等[7]、袁绪龙等[8]开展了航行体通气空泡流的实验研究，分析了通气空泡的结构形态、非对称性、稳定性、重力效应及航行体头型对通气空泡的影响。本文采用近壁面气液两相流全流场显示技术结合多相流PIV 技术，对近壁面多孔排气泡状流进行实验研究，分析流动参数和主流的加减速状态对泡状流掺混融合特性的影响。

1 近壁面气液两相流全流场显示技术

1.1 水洞及近壁面通气系统

实验研究基于高速水洞开展，图1为该水洞示意图，水洞主要由进水管、收缩段、实验段、扩散段、弯管段和回水管六部分组成，其中实验段尺寸为700 mm×70 mm×190 mm。表1 给出了该水洞稳定运行时的基本性能参数，其中最大流速可达到20 m/s，空化数最小为0.30，湍流强度分布均匀。

图1 水洞示意图Fig.1 Schematic diagram of water tunnel

表1 水洞基本性能Tab.1 Basic performance of water tunnel

实验平板模型表面排出的气体由图2所示的近壁面通气系统稳定供给，系统主要由空气压缩机、压力控制阀、气体稳压储存罐、流量计及管路组成，且通气压力和通气量均可调控，其中压力调节范围为0～1 MPa，通气量调节范围为0～1500 L/h（标准状态）。实验时空气压缩机将压缩气体通过管道输送到稳压系统的储存罐中，该系统中的控制元件可以确保压缩气体按照设定流量通入到实验段模型中，实验段背侧装有单向阀门防止水倒流入稳压系统。

图2 近壁面通气系统Fig.2 Near-wall ventilation system

1.2 实验模型及主流状态设计

实验所用多孔平板模型及底座实物如图3（a）所示，平板为实验研究工作段面，长300 mm，宽68 mm，平板前端沿直线均匀开设直径（d）为2.6 mm 的圆形通气孔，孔中心距平板前边缘60 mm，孔间距为2d，平板安装在底座中段，底座前后端分别设有圆弧导流段以防止来流速度的突变而干扰流动。平板背部有用于储存气体的储气室，稳压系统供给的气体流入储气室再分别从各排气孔流出，以实现各排气孔的均匀出流。为减小重力对气泡发展的影响，将底座通过螺栓固定在实验段的顶部，如图3（b）所示，自平板出流的气体将在重力作用下保持贴壁发展，同时利用高速摄像机从实验段底部拍摄得到泡状流的全流场图像。

图3 平板及底座模型Fig.3 Models of the plate and base

依据实验条件，精确控制来流速度随时间加减速存在一定困难，因此实验中设计了多种加速度底座模型，通过改变来流过流断面的面积大小，实现主流在空间上匀速、加速和减速。如图4所示，实验中只需更换相应模型底座，就能实现加速度状态的改变，其中加速模型平板安装段与水平面的夹角为-3°，减速模型平板为1°，根据连续性方程及匀变速运动方程可求得对应的加速度量值分别为：正加速度a=20.4 m/s2和负加速度a=-3.68 m/s2。

图4 不同加速度底座模型Fig.4 Different acceleration base models

1.3 高速摄像及图像处理系统

图5为实验所用高速摄像系统，主要由作为光源的镝灯（功率均为1 kW）、用来记录瞬时流场图像的高速像机以及实时显示存储图像的PC组成。其中高速像机的记录速度最高可达100，000帧/秒，可满足多相流动实验研究的需要。

图5 高速摄像系统Fig.5 High-speed camera system

为了从高速相机拍摄的全流场图像中准确提取泡状流轮廓进而获取气泡面积，图6 给出了研究中开发的泡状流流场图像处理系统的流程图。针对水下近壁面多孔排气泡状流图像的特点，实现了连续图像帧的预处理降噪及图像分析的批处理。图7给出了应用该系统提取出的泡状流轮廓识别效果图。该系统可以清晰准确地提取出泡状流的外轮廓，用于获取各时刻气泡所占总面积。

图6 流场图像处理系统流程图Fig.6 Flow chart of flow image processing system

图7 泡状流轮廓提取Fig.7 Extraction of bubbly flow profile

1.4 近壁面气液两相流PIV系统

图8为近壁面气液两相流PIV系统示意图及设备实物，其基本组成包括相机、激光器、激光脉冲同步器、光路系统及数据采集系统等。考虑到多孔泡状流动具有显著的非定常特性，配合连续激光（波长为523 nm），用激光器转换出的片光源照亮流场中的粒子，通过合理调整相机光圈以清晰记录图像。基于正交图像变换和标准互相关运算获得瞬态速度矢量场，进而通过后处理软件得到气液两相流速度场与涡量场等流场信息。针对近壁面强反光、气泡界面光线折射的问题，研究中采用表面荧光镀膜技术及气泡界面图像修正方法，利用反射光波长的差异和激光折射规律有效避免对流场中示踪粒子的图像造成干扰。对于示踪粒子的选择，除了在流场中布撒空心玻璃珠外，同时将雾状示踪粒子随同射流气体一起通入流场中，从而实现多孔泡状流内外流场结构的精细化测量。

图8 近壁面两相流场结构PIV系统示意图Fig.8 Schematic diagram of PIV of two-phase flow structure near the wall

2 实验结果与讨论

2.1 多孔排气泡状流特征流型分类

水下近壁面排气泡状流的特征流型与流动参数、通气状态密切相关。图9 展示了不同流型的两相流场结构图像，各流型的气泡轮廓扩张角明显不同。当通气率较小时，气体自孔口出流后逐渐断裂成离散的、短小的单一细泡，持续向下游漂移，表现为典型的细泡状流型。随着通气率的增大，流束逐渐转变为细条状、连续透明状、透明泡状，且气泡轮廓扩张角也逐渐增大。当液相主流速度较大时，通入的气体将在液相压力及冲击作用下呈现为泡沫状，在通气率较大时则表现为连续泡沫状流型。

图9 近壁面泡状流特征流型Fig.9 Characteristic flow pattern of near-wall bubbly flow

水下近壁面多孔泡状流动形成的排气流场结构以“离散气泡横向扩散、界面间距减小并逐渐形成融合气泡覆盖壁面”的演化过程为主要特征，可根据气泡膨胀程度、气泡轮廓扩张角及相邻流束间距等特征将上述六种流型分为三类流态。如图10（a）所示，气体自排气孔出流后，在液相压力、摩擦力及重力作用下，互不干扰地贴附在壁面，向下游弯曲呈离散“辫状流”发展，气泡逐渐膨胀向周向运动，但其膨胀程度较小，气泡轮廓扩张角较小，流束间距较大，由离散的多个短小气泡组成，其中包括细泡状、细条状、及泡沫状流型，表现为典型的未融合流态；如图10（b）所示，在一定的流动参数作用下，呈连续透明状的离散“辫状流束”的气泡宽度沿横向明显增大，气泡边缘开始发生接触但仍未形成融合，平板尾部开始出现部分气泡的掺混，表现为临界融合流态；如图10（c）所示，当通气率较大、欧拉数较小时，气泡的膨胀程度较大并发生相互作用形成掺混的片状连续气层，水气界面发生剧烈波动呈不规则形状，流束间的区域被气泡覆盖，透明泡状和连续泡沫状流型均表现为融合流态。

图10 多孔泡状流态分类Fig.10 Flow regime classification of porous bubbly flow

为了研究多孔排气泡状流气泡内部流场结构，分析通入气体与主流的相互作用关系，采用PIV 技术对瞬时速度矢量场进行测量并通过后处理获取涡量场分布。图11为典型流型的PIV流场粒子图像及其对应的时均涡量分布图，其中涡量场具体截面位于通气平板对称轴处。由图可知随着通气率的增大，气泡流型由细条状转变为连续透明状，涡量场可以分为两个区域：一为主流区，气泡对其涡量影响较小，涡量分布较为均匀；二为近壁区，被大量的气泡附着。由于气泡尾部快速向其内部收缩造成自身逆时针旋转，进而形成正向涡量。随着通气率的增大，气液界面脉动增强，速度梯度变大，气体射流与液相横流相互作用形成复杂旋涡结构并伴随有涡量交换。

图11 PIV图像及其涡量场Fig.11 PIV image and its vorticity field

2.2 流动参数对匀速主流中泡状流掺混融合特性的影响

通气量、环境压力等流动参数均会对气泡束的膨胀和气液界面的相互作用产生影响，进而改变泡状流的掺混融合特性。图12给出了主流在匀速来流条件下，多孔泡状流在不同流动参数下的掺混融合特性图谱，横坐标为欧拉数（Eu=p/ρU2∞），纵坐标为通气率（Qv=Qin/U∞A），其中，Qin表示一个大气压下的全部通气量，U∞表示平板上方的来流速度，A表示通气孔面积，p和ρ表示试验段环境压力和水的密度。红色曲线是泡状流融合区域与未融合区域的分界线。由图可知，当欧拉数一定时，随着通气率的增大，泡状流将从未融合状态过渡到融合状态；当通气率一定时，随着欧拉数的减小，泡状流由未融合状态逐渐向融合状态转变；融合工况集中分布在融合分界线的左上侧。

图12 流动参数对泡状流掺混融合特性的影响图谱Fig.12 Influence of flow parameters on the fusion characteristics of bubbly flow

图13 给出了不同通气率条件下，流场图像及对应的无量纲气泡面积在1 s内随时间的演变，图中曲线上各点代表对应时刻的无量纲气泡面积，黑色水平直线为其时均值。由流场图像可知，当Qv=0.060时，不同“辫状流束”之间互不干涉，稳定向下游发展；当Qv=0.075时，随着通气率的增大，单位时间内自通气孔出流的气体增多，离散“辫状流束”气泡宽度不断增加，气泡初始掺混位置在流向距离上明显缩短，气泡边缘开始发生接触但仍未形成融合；直至Qv=0.090，相互接触的气层边缘相互作用发生掺混，流束间由单连通区域变为连通区域，形成稳定气泡覆盖在平板表面。由气泡面积曲线图可知，在当前欧拉数下，气泡面积时均值随通气率的增大也呈不断增大的趋势，气泡面积值随时间产生较大波动，且波动幅度随通气率的增大而更加剧烈，进一步说明了气泡的不稳定性及气泡脱落的非定常特性。

图13 气泡面积随通气率的变化Fig.13 Variation of bubble area with ventilation rate

图14 给出了不同欧拉数条件下的流场图像及无量纲气泡面积演变情况。流场图像随欧拉数的减小表现为从不融合到临界融合、再到融合的流动状态。当Eu=6.263 时，气泡宽度较小，流束间距较大且保持横向扩展向下游发展，但直至平板尾部气泡宽度仍小于流束间距，保持离散状态未发生融合；随着欧拉数的减小，气泡宽度沿横向明显增大，气泡成带状紧贴平板壁面向后发展，平板尾部开始出现部分气泡的掺混，流束整体处于白色水气混合状态；当欧拉数减小至2.693时，气泡宽度进一步增加，流束间距又进一步缩小，平板中部就已开始形成横向掺混，连续气层一直延伸至平板尾部，水气界面波动幅度显著增大，最终形成大尺度的连通融合气泡。对于气泡区域面积，由图可知随着欧拉数的减小，气泡区域的面积时均值不断增大，且欧拉数越低，气泡区域的面积波动幅度越大，气液交界面波动也越剧烈。

图14 气泡面积随欧拉数的变化Fig.14 Variation of bubble area with Euler number

2.3 主流的加减速流动对泡状流掺混融合特性的影响

图15 加速对泡状流掺混融合特性的影响图谱Fig.15 Influence of ventilation rate-Euler number on the fusion characteristics of bubbly flow

波动也较大。而匀速条件下的平板气泡发展较稳定，发展至平板底部便能形成良好的连续气层，且水气界面波动较小，稳定性较高。

图16 加速与匀速工况的全流场图像对比Fig.16 Comparison of flow field image between accelerated and constant speed conditions

图17 对比了主流在减速与匀速流动条件下的泡状流融合特性。图中蓝色曲线为匀速流动工况对应的泡状流融合区域与未融合区域的分界线，黄色曲线则是减速流动工况对应的泡状流融合区域与未融合区域的分界线。由图可知，黄色曲线以上阴影部分是减速融合区域，而匀速融合区域则分布在蓝色曲线以上。明显地，减速流动工况的融合区域面积稍大于匀速流动工况的，也即减速流动将促进泡状流的掺混融合。

图17 减速对泡状流掺混融合特性的影响图谱Fig.17 Influence of deceleration on the fusion characteristics of bubbly flow

为了进一步分析主流的减速流动对泡状流发展及稳定性的影响，选取图17 中紫色方框处的工况点（Eu=3.312 4，Qv=0.074 71）进行研究。图18 给出了该工况点的全流场图像演化，其中图18（a）为减速流动工况，图18（b）为匀速流动工况。从图中可以明显看出，相较于匀速工况的气泡，虽然两种工况下的气泡基本保持在同一水平高度，但由于减速平板的倾斜方向，使得气泡自身的宽度显著增加，减速状态下的气泡初始掺混位置明显接近上游，减速不仅使气泡运动速度逐渐降低，同时使水相对气泡的压力也不断减小，给气泡掺混提供更大的空间，因此气泡宽度逐渐增大。此外，减速流动下气泡厚度在混合过程中逐渐增加，形成的连续气层表面不断波动，但气层厚度大于匀速流动下的连续气层厚度，进而促进了气泡的掺混融合。

图18 减速与匀速工况的全流场图像对比Fig.18 Comparison of flow field image between decelerated and constant speed conditions

3 结 论

本文采用近壁面气液两相流全流场显示技术，结合PIV 技术在水洞中观测了平板壁面多孔排气泡状流的宏观物理景象和掺混融合特性，讨论了不同通气率、欧拉数和主流的加减速流动对气液两相流流动形态和掺混融合特性的影响，研究结果表明：

（1）多孔泡状流特征流型主要分为细泡状、细条状、连续透明状、透明泡状、泡沫状和连续泡沫状，其中细泡状、细条状及泡沫状流型未融合，连续透明状表现为临界融合流态，透明泡状和连续泡沫状流型均表现为融合流态。

（2）随着通气率的增大和欧拉数的减小，泡状流由未融合状态逐渐向融合状态转变。随着通气率的增大，气泡初始掺混位置在流向距离上明显缩短，气泡面积的波动幅度增大，气泡面积时均值呈不断增大的趋势。随着欧拉数的减小，气泡宽度沿横向增大，流束间距缩小，气泡面积时均值不断增大且波动更为剧烈。

（3）主流在减速流动工况的融合区面积大于匀速流动，匀速流动工况的融合区面积大于加速流动。加速流动的主流对气泡产生挤压使得气泡的厚度降低，抑制了气泡的掺混融合。减速流动时气泡厚度在混合过程中逐渐增加，促进了气泡的掺混融合。