涂层对绕水翼云状空化的运动特性及动力特性影响的试验研究丨JME封面文章
空化是当液体内部的局部压力下降至饱和蒸汽压以下时在液体内部或者固液交界面上发生的剧烈的汽化现象。空化流动具有很强的非定常性，包含大量空泡的生成与溃灭现象。空泡的溃灭会产生高速的微射流，对水轮机、水泵等水力机械的过流面造成破坏、产生空蚀，降低水力机械的可靠性。一般地，按照空泡形态特征，将附着型空化分为初生空化、片状空化、云状空化和超空化4个阶段。在云状空化阶段时，会出现反向射流。大多数研究者认为，反向射流是引起云状空化的因素，边界层分离使得反向射流进入空穴，从而引起了大尺度空泡团的溃灭和脱落，造成严重空蚀现象，并伴随剧烈的振动、噪声。为了减轻空蚀的危害，许多学者研究通过改变材料或在材料表面涂覆涂层的方式来抵御空蚀。FARHAT等研究了水翼前缘的空化脱落现象，研究表明在特定的试验条件下，流动分离产生于泡状空化转至附着型空化过程中，且与水翼表面粗糙度、水翼材料的物理特性以及绕水翼吸力面的壁面压力分布有关。清华大学的刘诗汉等在2009年针对不同表面粗糙度的45#钢平板进行了超声振动空蚀试验，发现粗糙表面的空蚀程度较高，并指出粗糙表面裂隙中的气核增加了发生空化的概率，空蚀对粗糙表面上的缺陷破损程度更大。ROOD指出表面粗糙度形貌对空化初生及流场结构等都有较大影响。浙江工业大学的王维夫等在2013年在ZL101铝合金表面制备纯Al和Al-Si两种铝基合金沉积涂层，其中Al-Si涂层内部结合较好且Si相呈均匀的枝蔓状分布并因此表现出较好的抗空蚀性能。
目前，为抵御空蚀现象对水力机械可靠性的影响，材料的表面特性也变得愈发重要。然而，诸多研究均集中于材料的表面力学性能，如硬度、韧性、附着力等，忽略了材料表面特性对空蚀现象的根源——空化流动的影响及两者之间的相互作用。由于空化流动与涂层之间具有直接的相互作用，因此有必要研究涂层对空化流动的影响。
北京理工大学的郝加封、张敏弟和洪都航空工业集团的付细能在《涂层对绕水翼云状空化的运动特性及动力特性影响的试验研究》(《机械工程学报》2018年18期封面文章)一文中，基于黄旭等研究为基础，以Clark-Y 型水翼为试验模型，深入开展涂层表面特性对云状空化流动的试验研究，对比绕具有不同涂层水翼云状空化的空穴形态特性、运动特性和动力特性的区别。
水翼安装实物图及示意图
(1) 涂层的粗糙度和材质共同影响绕水翼的云状空化流动特性。
(2) 不同涂层水翼的附着空穴厚度不同，空穴增长速度有差异。对比三种涂层水翼的空穴可知，附着在表面光滑环氧涂层(模型A)中，水翼表面空穴厚度更小，透明空穴区透明性更好，空穴长度随时间变化更快，即表面光滑环氧涂层水翼空穴脱落周期更短。
(3) σ=0.85时，绕水翼云状空化分为三个区域：透明空化区，旋涡水汽混合区，脱落水汽混合区。由于不同涂层的反向射流强度不同，造成绕水翼云状空化的局部低速区和正涡量区位置不同，从而导致透明空泡堆积位置不同，旋涡水汽混合区的位置发生改变。从透明空化的变化范围来看，模型A的变化范围最小，模型B其次，模型C最大；从旋涡水汽混合区的位置来看，模型A的水汽混合区位置距离水翼头部最近，B其次，C最远。
(4) 相比涂层表面粗糙度，涂层材质对云状空化的动力特性影响更加显著。云状空化时，即不同涂层的升力系数急剧下降区不同，模型B转变为云状空化时的σ比模型A、C的要小，模型B更易抑制云状空化的发生。
张敏弟，女，1971年出生，博士，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为空化，水下航行器减阻。
该文已刊登在《机械工程学报》2018年第18期，您可点击文后“阅读原文”下载浏览全文。
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