基于多参数融合的空化强度评估

《Ocean Engineering》：Multi-parameter fusion-based evaluation of cavitation intensity

空化强度评估中传统单参数方法存在局限性，本研究提出多源融合方法整合气泡尺寸、气体体积分数和脱落频率，结合高速成像与CFD模拟，揭示等效气泡直径非线性变化规律，气体体积分数与脱落频率单调关联，构建线性加权综合指数，其敏感性优于空化数，有效解决压力波动空间不均问题。

　　在流体力学领域，空化（cavitation）是一种常见的相变现象，广泛存在于各种高速流动系统中。空化现象不仅影响系统的运行效率，还可能对设备的安全性和寿命造成严重威胁。随着现代工程对紧凑、高功率密度设计的需求不断增长，许多流道结构变得更为复杂，导致流体分离和压力梯度的急剧变化，从而增加了空化的发生概率。因此，准确评估空化强度（cavitation intensity）对于优化系统性能和保障工程安全具有重要意义。

传统的空化强度评估方法主要依赖于单一参数，如气泡脱落频率（bubble shedding frequency）或压力波动（pressure fluctuations）。然而，这些方法在实际应用中存在明显的局限性。例如，单一参数往往难以全面反映空化过程中复杂的物理机制，导致评估结果不够准确且缺乏可重复性。此外，空化强度的评估还受到流体介质特性（如粘度、温度、气体含量等）的影响，而这些因素在传统方法中未被充分考虑，从而影响了评估的科学性和可靠性。

为了克服上述问题，本研究提出了一种多源融合的方法，用于空化强度的识别。该方法整合了气泡尺寸（bubble size）、气相体积分数（gas-phase volume fraction）以及气泡脱落频率（bubble shedding frequency）等多个关键参数，以实现对空化强度的更全面和准确评估。通过结合高速成像技术与计算流体力学（CFD）数值模拟，研究团队能够更直观地捕捉气泡的动态行为，并从多个维度分析空化强度的变化规律。

研究发现，单个气泡的坍塌过程中释放的能量与气泡直径之间存在正相关关系。这意味着，气泡越大，其坍塌释放的能量越高，从而对空化强度产生更大的影响。然而，气泡等效直径（equivalent bubble diameter）并非线性变化，而是在不同的空化阶段表现出不同的演化趋势。在气泡空化初期，等效直径逐渐增大，达到峰值后，在气泡云（bubble cloud）和超空化（super-cavitation）阶段则开始下降。这种非线性的变化特征揭示了空化强度在不同发展阶段的复杂性，也表明单一参数无法准确描述整个过程。

与此同时，气相体积分数被发现是衡量气泡群浓度（bubble cluster concentration）的可靠指标，能够直接反映空化强度的整体水平。气泡群的密集程度与空化强度之间存在密切联系，这使得气相体积分数成为评估空化强度的重要参数之一。此外，初始气泡脱落频率也随着空化强度的增强而单调上升，这进一步说明了气泡行为与空化强度之间的动态关系。

基于上述研究结果，本研究提出了一种综合空化强度指数（comprehensive cavitation intensity index），该指数通过对上述三个参数进行线性加权，实现了对空化强度的更精确评估。与传统的空化数（cavitation number）相比，该指数表现出更高的灵敏度和更良好的单调性。空化数虽然被广泛用于表征空化强度，但其定义为：空化数 σ = (p? - p?) / (0.5ρU2)，其中 p? 表示下游恢复压力，p? 表示饱和蒸汽压，ρ 表示液体密度，U 表示喉部的流速。然而，当空化数低于某一临界值时，空化强度不再随空化数的进一步减小而增加，甚至可能减弱。这表明，空化数在某些情况下可能失去其表征意义，无法准确反映空化强度的变化。

此外，空化强度的评估还受到空间非均匀性的影响。传统方法中，压力波动频率往往被用作空化强度的间接指标，但其测量结果可能受到局部流场条件的干扰，难以全面反映空化强度的全局特征。因此，本研究提出的多源融合方法在一定程度上克服了这一问题，通过整合多个参数，提供了更稳健的空化强度评估手段。

在实验方面，研究团队设计了一套完整的空化测试装置，包括电机、水箱、空化腔体、电磁流量计、高速摄像机、压力传感器、压力表、电磁阀以及循环管道等。该测试装置能够精确测量空化过程中产生的各种物理现象，包括气泡尺寸、气相体积分数以及气泡脱落频率等。压力传感器的测量范围为 0–6 MPa，精度为 ±0.25% FS，确保了数据的可靠性。测试腔体采用透明有机玻璃材料，具有双凸结构，便于观察空化现象的演变过程。

在数值模拟方面，CFD 技术被广泛应用于空化研究，因其在控制变量和模拟极端空化场景方面具有显著优势。通过构建精确的流场模型，研究团队能够模拟空化过程中气泡的生成、发展和坍塌过程，从而分析空化强度的变化趋势。例如，Hong 等（2023）利用 CFD 技术构建了 Venturi 空化器的物理模型，提出空化释放能量作为评估空化强度的指标。Zhang 等（2024）则通过 CFD 研究了混流泵中湍流粘度与空化动态的关系，揭示了在不同净正吸入头（NPSH）条件下，空化过程中压力波动和气泡行为的变化。这些研究结果表明，CFD 技术能够为空化强度的评估提供有力支持。

在实际应用中，空化强度的评估不仅依赖于理论模型，还需要结合实验数据和数值模拟结果。研究团队通过整合实验数据和 CFD 模拟结果，分析了气泡尺寸、气相体积分数和气泡脱落频率与空化强度之间的关系。这一多源融合方法能够更全面地捕捉空化过程中的动态变化，从而提供更精确的评估结果。

气泡尺寸在空化强度评估中起着重要作用。从能量释放的角度来看，空化气泡的坍塌过程中释放的能量与气泡尺寸密切相关。气泡越大，其坍塌释放的能量越高，从而对空化强度产生更大的影响。然而，气泡尺寸并非恒定不变，而是随着空化过程的发展而变化。在空化初期，气泡尺寸逐渐增大，而在空化后期，气泡尺寸可能减小甚至消失。这种变化趋势表明，气泡尺寸是空化强度的一个动态指标，能够反映空化过程的演化路径。

气相体积分数作为另一个重要参数，能够反映气泡群的密集程度，从而间接表征空化强度。气泡群的密集程度与空化强度之间存在密切关系，这使得气相体积分数成为评估空化强度的关键指标之一。此外，气泡群的密集程度还受到流体介质特性和流动条件的影响，这进一步说明了气相体积分数在空化强度评估中的重要性。

气泡脱落频率则能够反映空化过程中的周期性特征，从而指示空化的严重程度。气泡脱落频率的变化不仅与气泡的生成和坍塌过程有关，还受到流体流动条件的影响。在空化强度增加的情况下，气泡脱落频率通常会升高，而当空化强度降低时，气泡脱落频率则会下降。这种变化趋势表明，气泡脱落频率是空化强度的一个重要指标，能够反映空化过程的动态变化。

综上所述，空化强度是一个多参数、多因素影响的复杂现象，传统的单一参数方法难以全面反映其变化特征。因此，本研究提出了一种多源融合的方法，通过整合气泡尺寸、气相体积分数和气泡脱落频率等多个关键参数，实现了对空化强度的更精确评估。这一方法不仅克服了传统方法的局限性，还为工程实践中空化强度的评估提供了新的思路和工具。

在实际应用中，空化强度的评估对于优化系统性能和保障工程安全至关重要。通过结合实验数据和数值模拟结果，研究团队能够更全面地分析空化强度的变化趋势，从而为工程设计和操作提供科学依据。此外，本研究提出的多源融合方法还具有一定的工程应用价值，能够为空化控制提供新的思路和手段。例如，Singh 等（2024）发现，在收敛-发散喷嘴中，上游或下游的空气注入能够有效抑制空化，减少空化长度和强度，并改变气泡的动态行为，从而提供了一种可行的空化控制方法。

在研究过程中，团队还发现，空化强度的变化不仅受到气泡尺寸、气相体积分数和气泡脱落频率的影响，还受到流体介质特性和流动条件的影响。例如，介质粘度、温度和气体含量等因素会影响气泡的生成和坍塌过程，从而对空化强度产生影响。因此，在空化强度评估中，必须综合考虑这些因素，以确保评估结果的准确性。

此外，空化强度的评估还受到几何结构的影响。例如，Hong 等（2022）研究了两种类型的空化反应器，发现喉部几何结构和喷嘴孔数的不同会导致空化强度的变化，即使在相同的空化数条件下，空化强度也可能存在显著差异。这表明，空化强度的评估不能仅依赖于空化数，还需要结合几何结构和流动条件进行综合分析。

在实验和模拟过程中，研究团队还发现，空化强度的变化与压力波动密切相关。例如，Esposito 等（2021）观察到，空化强度的变化会导致压力波动的主导频率和振幅发生显著变化。Feng 等（2024）则通过涡轮振动和压力波动分析成功识别了空化状态。Wu 等（2022）建立了空化强度与噪声能量之间的关系，通过压力信号频谱分析和累积振幅计算揭示了空化强度的变化趋势。这些研究结果表明，压力波动是评估空化强度的重要指标之一。

在实际应用中，空化强度的评估不仅需要关注气泡行为，还需要考虑流体介质特性和流动条件。例如，介质粘度、温度和气体含量等因素会影响气泡的生成和坍塌过程，从而对空化强度产生影响。因此，在空化强度评估中，必须综合考虑这些因素，以确保评估结果的准确性。

此外，空化强度的评估还受到流动通道结构的影响。例如，Hong 等（2023）研究了 Venturi 空化器的空化性能，发现流动通道的结构对空化强度具有显著影响。Zhang 等（2023）则通过 NACA66 水翼的空化流动分析，验证了数值模拟结果，并得出波浪状前缘能够有效减少空化体积的结论。这些研究结果表明，流动通道结构对空化强度具有重要影响，因此在空化强度评估中，必须考虑这一因素。

在研究过程中，团队还发现，空化强度的变化与气泡行为密切相关。例如，气泡的生成、发展和坍塌过程不仅受到流体介质特性和流动条件的影响，还受到气泡群密度和气泡脱落频率的影响。因此，在空化强度评估中，必须综合考虑这些因素，以确保评估结果的准确性。

本研究提出的多源融合方法不仅克服了传统方法的局限性，还为工程实践中空化强度的评估提供了新的思路和工具。通过整合气泡尺寸、气相体积分数和气泡脱落频率等多个关键参数，研究团队能够更全面地分析空化强度的变化趋势，从而为工程设计和操作提供科学依据。此外，该方法还能够有效解决空间非均匀性对空化强度评估的影响，提供更稳健的评估手段。

在实际应用中，空化强度的评估对于优化系统性能和保障工程安全至关重要。通过结合实验数据和数值模拟结果，研究团队能够更全面地分析空化强度的变化趋势，从而为工程设计和操作提供科学依据。此外，该方法还能够有效解决空间非均匀性对空化强度评估的影响，提供更稳健的评估手段。

综上所述，空化强度是一个多参数、多因素影响的复杂现象，传统的单一参数方法难以全面反映其变化特征。因此，本研究提出了一种多源融合的方法，通过整合气泡尺寸、气相体积分数和气泡脱落频率等多个关键参数，实现了对空化强度的更精确评估。这一方法不仅克服了传统方法的局限性，还为工程实践中空化强度的评估提供了新的思路和工具。