摘要
空化与空蚀是一种普遍存在的现象，在实际环境中，空化多发生在不规则表面，材料表面受到空化破坏会形成大小不一的凹坑，新形成的表面影响着周围流场，同时水流中的球形颗粒与空泡的协同作用可能会加剧空蚀与磨损。研究这些壁面附近的空泡动力学特性对于空化的抑制和利用有重大意义。 空泡内容物分为凝结气体(水蒸汽)和非凝结气体，本文考虑了空泡内容物属性，对于非凝结气体空泡的振荡特性基于Rayleigh-Plesset方程进行理论求解，对于凝结气体的空泡动力学使用数值模拟的方法，研究了凹坑及凸起边界附近的空泡溃灭过程。得到了不同壁面附近空泡的形态演变规律和压力波传播特性，分析了不同壁面参数对空泡溃灭时间、射流速度、壁面冲击载荷的影响，详细讨论了流场特性及壁面上剪切速率的分布情况。具体研究结论如下： 1.基于近壁空泡平动方程的求解表明：随着无量纲壁面距离γ的增加，空泡平动速度减小，次Bjerknes力呈现出减小的趋势。对于负曲率壁面的条件，空泡受到的作用力和平动速度随壁面曲率ξ的增大而增大，对于正曲率壁面正好相反。同时与负曲率壁面相比，正曲率壁面下空泡的平动速度要更小，朝壁面迁移的距离更短，作用在空泡上的阻力比次Bjerknes力低两个数量级。相同条件下，负曲率壁面附近空泡在坍缩过程中受到的作用力要大于正曲率壁面的条件。 2.对不同壁面附近空泡的非球形溃灭过程进行数值模拟，研究表明凹壁面对于空泡溃灭的阻碍作用要强于平直壁面，溃灭末期空泡的形态决定了射流速度的大小。当凹壁面曲率ξ增大，空泡溃灭时间延长，射流速度减小。在γ=1.0时，凹壁面中心的最大压力随着壁面曲率的增大呈现先增大后减小的趋势。在γ=1.5时，凹壁面中心受到的最大冲击载荷随壁面曲率的增大单调递增。凹壁面上的高剪切速率区域始终分布在凹坑两侧出口处，凸壁面上剪切速率的极小值出现壁面出口附近。凹壁面上受到的剪切作用比平壁面更大，当凹壁面曲率增大，剪切速率的峰值呈现快速增长的趋势。 3.相同无量纲距离γ的条件下，凸壁面附近的空泡射流速度要大于凹壁面的情况。在γ=0.8时，凸壁面中心的压力峰值随着壁面曲率的增加呈现先增大后减小的趋势。在γ=1.7的条件下，凸壁面中心的压力峰值随着壁面曲率的增加同样呈现先增大后减小的趋势，但是拐点向后移。在相近条件下，空泡溃灭作用在凸壁面上的压力整体要高于凹壁面上的压力。 4.在γ=0.8时，剪切速率的峰值随着凸壁面曲率的增加呈现先增大后减小的趋势，且逐渐靠近壁面中心。在γ=1.7时，剪切速率的峰值随着凸壁面曲率的增加单调增大，但是其距离壁面中心呈现先远离后靠近的趋势。
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