摘要
空化空蚀问题严重影响泄洪消能设施和水力机械的运行效率及稳定性，是水利工程与流体力学研究的前沿与难点。目前细观尺度的空化理论尚不够定量、全面和成熟。利用壁面润湿性引导空化泡溃灭，削弱空化泡溃灭强度，达到减蚀效果，是抗空蚀材料研发的热点。本文以物理模型实验研究为主，探究空化源至壁面的距离和壁面润湿性对空化空蚀强度的影响。主要研究内容与结论如下： 1、调节超声源探头与试样之间的垂直距离，借助扫描电子显微镜对不同的金属材料（青铜、铝）在不同的超声源距离下空蚀后的表面进行拍摄和观察。研究发现超声源探头与材料表面的垂直作用距离对两种试样的空蚀效果都有显著的影响。在经历最大空化时间后，当超声源的距离为5mm时，试样表面还有不少未受空蚀影响的区域，空蚀破坏程度比较弱。当空蚀源的距离增大时，试样表面的空蚀效果加剧，粗糙度加大。超声源距离2mm为本实验的最佳空蚀距离，此时空蚀作用效果最好。从空坑数量来看，当空蚀源距离较大时，空坑数量的峰值都出现在最大的空蚀时间处，而当空蚀源距离较小时，空坑数量的峰值都提前出现。 2、通过调节不同的空化时间，发现超声空化的时间也对空蚀空化结果的影响很大。在超声源距离固定时，青铜试样受到空蚀破坏的面积随着空蚀时间的增大而近乎线性增加，纯铝试样由于表面有氧化铝薄膜保护的原因，空坑面积的增长速率随着空蚀时间的增大而变得越来越快。 3、使用三氯(1H,1H,2H,2H-十三氟正辛基)硅烷溶剂在青铜与纯铝试样表面形成疏水性涂层，发现不同湿润性表面超声空化的结果不同。在相同的空化时间下，表面损伤程度服从如下顺序：青铜（疏）＞青铜＞纯铝（疏）＞纯铝。虽然不同湿润性表面都出现了不同程度的空化损伤，但是上述结果证实了更高的接触角导致更低的能垒，而更低的能垒会导致空化发生的概率增大。 4、根据电子扫描显微镜的拍摄结果，可以把空蚀的发展分为四个阶段。第一阶段，气泡随机破裂，在试样表面出现分散的针状凹坑。在第二和第三阶段，气泡在已有的凹坑处崩溃，然后在表面出现凹坑相互连接的现象。第四阶段，在气泡破裂的影响下，空蚀在垂直和水平方向上发展，试样表面遭受严重的空蚀破坏。 5、基于LBM热动力模型，采用双分布函数热玻尔兹曼方法（DDF），对单液滴与壁面的接触点进行了受力分析，发现局部压力差和不平衡杨氏力是接触点动力学的两个主要控制因素。此外，引入无量纲温度η来描述不同壁面润湿性和壁面温度下的传热效率。在整个演化过程中，亲水性壁面上的不平衡杨氏力是指向气泡内部的，这导致了较小的接触半径和较强的塌陷强度。此外，由于局部动量的集中，在接触点上观察到明显的压力差。相反，疏水性壁面更适合于壁面加热过程，因为壁面的塌陷强度较小，接触半径较大。 本文研究成果加深了对空蚀机理的理解，可为优化减蚀措施提供理论和技术支撑。
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