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水 利 学 报

２０２５年 ７月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ７期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０７ － ０９４５ － １３

微小通道内非定常空化流动可视化研究及热力学效应分析

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刘 坤 ，颜建国 ，郭鹏程 ，李文博 ，赵 莉 ２
（１．西安理工大学 旱区水工程生态环境全国重点实验室，陕西 西安 ７１００４８；
２．西安航空学院 能源与建筑学院，陕西 西安 ７１００７７）
摘要：为分析温度、流速和压力等因素对非定常空化演化过程的影响，并定量评价空化流动中的热力学效应，采
用高速摄影可视化等方法，开展了 ２５～６５℃范围内的空化实验研究。实验获取了非定常空化流动图像数据，分析
结果表明，随着温度的升高与空化数减小，空化区域空腔特征尺寸增大，且空化发展持续时间更长。回射流的持
续流动促进云空化进一步脱落，且脱落分离过程体现出准周期性，而随着温度升高，腔体表现出更晚的脱落和更
剧烈的溃灭射流现象。使用 ＦＦＴ变换计算得到了云状空化振荡主频率和无量纲斯特劳哈尔数 Ｓｔ，证明了空腔最大
特征长度是云脱落振荡频率的主导因素。空化均值图像信息表明，温度是决定空腔尺寸变化的主要因素。随着温
度升高，平均空腔尺寸增加，随后因热力学效应抑制作用而减小，并通过无量纲参数 ＣＳＰ，表征热力学效应的抑
制作用，超过特定温度后，热力学效应逐渐显著，进一步抑制了空化发展。随着空化数减小，准稳态的片空化分
布逐渐转变为准周期性脱落云空化。
关键词：空化；非定常流动；热力学效应；微小通道；可视化
中图分类号：ＴＶ１３１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０３３１
文献标识码：Ａ

１ 研究背景

空化现象是复杂的多相流动，其非定常流动特性是水利工程等领域长期以来的研究热点 ［１ － ２］ 。空
化流动特性受到多种因素影响，比如流道几何结构、温度、流场压力和流速等，这些因素共同影响了
空化演变、空化坍塌的强度和产生的溃灭射流效应 ［３］ 。尤其是，空化流动处于微小通道、缝隙等微小
尺度条件时，其流动发展受到边界限制。流体温度对空化流动特性的影响同为重要，因为温度与液体
物性紧密相关，汽化过程需要液体向界面提供潜热，空化区域的温度将低于主流体温度，这反过来又
导致局部蒸汽压降低 ［４］ ，这种现象称为热力学效应，该效应将抑制空化的进一步发展 ［５ － ６］ ，因此亟需
揭示热力学效应对空化流动特性的影响规律。
Ｄｕａｎ等 ［７］ 根据 Ｒａｙｌｅｉｇｈ － Ｐｌｅｓｓｅｔ气泡动力学方程，考虑表面张力、局部温差影响，修正了空化模
型，并在能量方程中引入了汽化潜热和凝结潜热因子。Ｘｕ等 ［８］ 采用数值计算研究了等温和非等温条
件下非稳态准周期空化行为特征，分析了热力学效应对水翼尾流流动特性的影响。Ｚｈａｎｇ等 ［９］ 研究了
文丘里空化流动中的热力学效应，并结合空泡动力学提出了一个文丘里管空化模型。总体而言，关于
空化非定常特性的研究仍以数值仿真为主，热效应、微尺度等因素对空化流动特性的影响规律尚有待
深入研究。
综上所述，热力学效应与微尺度效应对非定常空化流动特性产生着深刻影响，开展空化可视化实

收稿日期：２０２４ － ０６ － ０３；网络首发日期：２０２５ － ０３ － ０７
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２５０３０７．０９５２．００１
基金项目：国家自然科学基金项目（５１９０９２１３）；陕西省自然科学基础研究计划项目（２０２４ＪＣ － ＹＢＭＳ － ３３０）；陕西省技术创新引导
计划项目（ ２０２４ＱＣＹ － ＫＸＪ － ０５０）；西安市科技局高校院所人才服务企业项目（２３ＧＸＦＷ００３９）
作者简介：刘坤（ １９９９ － ），硕士生，主要从事水力空化研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｑｑｌｂｂ１９９９＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：颜建国（１９８７ － ），博士，副教授，主要从事多相流动研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｊｇｙａｎ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

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