近壁區(qū)空化泡潰滅過(guò)程中，常伴隨著氣液交界面的劇烈變形，局部氣液交界面具有極大的曲率，在這些地方，表面張力往往對(duì)空化泡演化形態(tài)、潰滅強(qiáng)度、微射流分布具有重要的影響。而目前基于LBM偽勢(shì)模型的空化泡潰滅過(guò)程的模擬極少考慮表面張力對(duì)空化泡演化的影響。因此本研究引入表面張力調(diào)節(jié)外力項(xiàng)，建立可調(diào)節(jié)表面張力的LBM偽勢(shì)空化模型，分析不同表面張力對(duì)空化泡潰滅過(guò)程的影響，揭示表面張力對(duì)空化泡微射流流速分布、最大壓力變化、空化泡形態(tài)演化的影響。

表面張力對(duì)空化泡潰滅過(guò)程的影響

本節(jié)選取空化泡內(nèi)外初始?jí)翰瞀=0.003 8、0.006 8、0.010 2 mu/(lu·tu2)三種壓力，無(wú)量綱距離λ=1.6條件下，不同表面張力系數(shù)對(duì)空化泡潰滅過(guò)程中潰滅形態(tài)、流場(chǎng)、最大微射流速度和最大潰滅壓力的影響。

圖1展示了Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)不同表面張力條件下空化泡潰滅最終形態(tài)及流場(chǎng)。對(duì)比不同表面張力條件下壓力分布，隨著表面張力減小，空化泡上方高壓區(qū)面積增大，同時(shí)空化泡與壁面之間的低壓區(qū)面積減小。在較小表面張力條件下，空化泡更易發(fā)生變形，界面曲率半徑更小，空化泡潰滅最終時(shí)刻形變更大，導(dǎo)致潰滅形成的微射流流速更為集中。

圖1不同表面張力條件下空化泡潰滅最終時(shí)刻密度、速度和壓力分布密度

圖2展示了Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)時(shí)不同表面張力條件下空化泡潰滅過(guò)程中最大流速和最大壓力演化過(guò)程。潰滅過(guò)程中更大的表面張力條件下空化泡積蓄了更多的表面能，并在潰滅最后階段迅速釋放，導(dǎo)致了更大的空化泡潰滅速度。隨著表面張力增加，空化泡潰滅時(shí)間增加，同時(shí)空化泡潰滅最大流速也相應(yīng)增加。當(dāng)表面張力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2時(shí)，空化泡潰滅流速由0.404 lu/tu增加到0.512 lu/tu，速度增加了26.8%。由圖2(b)可知，在空化泡潰滅最后階段，由于空化泡內(nèi)水蒸氣在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生相變，潰滅壓力迅速增加。且更大的表面張力阻礙了空化泡的形變和潰滅，導(dǎo)致空化泡潰滅壓力減小。在Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)壓力條件下，當(dāng)表面張力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2時(shí)，空化泡潰滅過(guò)程中最大壓力由0.049 mu/(lu·tu2)增加到0.064 mu/(lu·tu2)。

圖2不同表面張力條件下空化泡潰滅過(guò)程中最大速度和最大壓力演化過(guò)程

不同表面張力和初始空化泡內(nèi)外壓差條件下空化泡最大微射流流速、壓力和潰滅時(shí)間變化規(guī)律如圖3所示。隨著初始內(nèi)外壓差增大，不同表面張力條件下空化泡潰滅產(chǎn)生的最大微射流流速、最大潰滅壓力均隨之增大，但潰滅時(shí)間則隨之減小。初始空化泡內(nèi)外壓差為0.003 8 mu/(lu·tu2)時(shí)，當(dāng)表面張力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2，最大微射流流速增加了55%，最大潰滅壓力增加了74%。初始空化泡內(nèi)外壓差增加到0.010 2 mu/(lu·tu2)時(shí)，空化泡潰滅最大微射流流速僅增加了22%，潰滅壓力僅增加了6%，最大微射流流速和最大潰滅壓力增加幅度均隨著空化泡初始內(nèi)外壓差的增加而減小，說(shuō)明空化泡初始內(nèi)外壓差的增加會(huì)減小表面張力對(duì)潰滅過(guò)程的影響。

圖3不同壓力條件下空化泡潰滅過(guò)程中各參數(shù)隨表面張力的變化規(guī)律

而在相同壓力條件下，空化泡潰滅速度、潰滅壓力和潰滅時(shí)間均隨著表面張力的增加而增加。根據(jù)Bjerknes力的定義，空化泡潰滅時(shí)間隨著表面張力的減小而減小，而時(shí)間質(zhì)量變化率則隨之增大，導(dǎo)致Bjerknes力增大，說(shuō)明較小的表面張力會(huì)促使空化泡朝向壁面發(fā)生潰滅。

依托于試驗(yàn)研究和宏觀數(shù)值模擬方法，研究者們針對(duì)表面張力對(duì)空化的影響開(kāi)展了系統(tǒng)性研究。LBM模擬結(jié)果表明表面張力對(duì)空化泡潰滅強(qiáng)度具有重要影響，其Bjerknes力隨表面張力減小而增大，但潰滅強(qiáng)度卻隨之減小，模擬結(jié)果定性上與前人試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果一致。摻氣減蝕是有效減小空化空蝕的重要手段，研究表明摻氣濃度將減小流體表面張力，進(jìn)而減小空蝕強(qiáng)度。