摘要
在水力机械中通常会发生对设备造成严重破坏的空化现象，降低其使用寿命和可靠性，揭示空化过程及机理十分重要。研究空化的手段有多种，空泡性质可控是研究空泡特性和空化机理的基石，激光诱导产生空泡是实现这一目的的一种有效方法。研究表明，利用激光作为能量源，通过控制激光参数能够产生性质可控的空泡，因此采用激光诱导产生空泡已经成为现阶段空泡特性和空化机理研究的关键手段。 本文将计算机仿真和实验研究相结合，研究了固壁面上激光诱导双空泡在“V”型和水平结构内的空泡瞬态特性以及双空泡之间的相互作用，并分析激光能量、空泡产生位置等因素对激光诱导双空泡脉动特性的影响。主要的研究内容和结果如下： （1）理论分析了不同类型空泡的产生机制，并结合空泡动力学，探究了空泡脉动特性。研究了单空泡脉动的影响因素，同时对单、双空泡脉动特性方程进行了对比分析，为研究激光诱导双空泡在不同环境下的脉动特性提供了理论依据。结果表明，液体粘度、表面张力和含气量均能够对空泡产生一定的影响，双空泡之间的距离是区别单、双空泡脉动行为的重要影响参数。 （2）采用Fluent软件模拟了不同环境下激光诱导双空泡在“V”型和水平结构上的瞬态脉动特性，重点研究了双空泡周围流场在脉动过程中的变化趋势。结果表明，双空泡在脉动过程中存在明显的膨胀和收缩过程，且双空泡之间的相互作用会导致空泡异常脉动。在空泡脉动末期，双空泡之间会形成以该区域为中心的旋转速度场，因而双空泡在脉动末期具备融合为一个空泡的趋势。 （3）搭建激光诱导空化实验平台，利用高速摄像机捕捉不同壁面结构下的双空泡脉动行为，通过提取出双空泡的脉动序列图进一步分析空泡瞬态直径、空泡泡壁的脉动速度、融合后产生的新生空泡脉动特性等。 （4）分析总结了不同环境下的激光诱导双空泡脉动特性。研究结果表明，激光诱导双空泡的最大脉动直径和脉动时间都随着激光能量的增加而增大。当相同激光能量诱导产生的双空泡位于“V”型结构时，距离“V”型结构尖端较近的空泡会被压缩，使得最大直径减小，而初生位置相同的两空泡脉动状态基本相同，呈镜像分布。在一定条件下，激光诱导双空泡在脉动过程中会促使“V”型尖端出现水力空化产生的空泡，该空泡缓慢变化，最终与激光诱导双空泡融合。当双空泡位于水平结构上时，较大激光能量诱导的空泡在脉动后期会将能量较小的空泡吸入其中，融合为一个新生空泡。同时，融合产生的新生空泡在“V”型和水平结构上脉动特性相似，空泡在产生后经过缓慢的脉动逐渐形成空泡群并消失，整个过程一般持续几微秒。
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