高速水工隧洞空化流演化与空蚀特性的大涡模拟研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Numerical study on the evolution of cavitating flow and collapse-induced erosion characteristics in high-speed hydraulic tunnel

本研究针对高速水工隧洞中空化流动与空蚀问题，采用大涡模拟（LES）结合Schnerr-Sauer空化模型，系统研究了不同空化数下空化结构的时空演化特性、涡-空化相互作用机制及空蚀风险分布，揭示了凝结激波与回射流共存的空间分区脱落机制，提出了基于物理理论的空蚀风险预测方法，为大型水工隧洞的抗空蚀设计提供了重要理论依据。

　　

在高速水流条件下，水力隧洞中常发生空化现象，即当局部压力低于饱和蒸汽压时，液体汽化形成空泡。这些空泡随流运动至高压区时会急剧溃灭，产生强烈的压力波和微射流，导致材料表面发生空蚀破坏，严重影响工程结构的安全性和耐久性。传统研究多集中于小尺寸结构（如文丘里管），而对大型高速水工隧洞中空化流的演化特性及空蚀机制的认识仍较缺乏。为此，研究人员以实际工程中应用的Flow Noise Simulator (FNS)隧洞为对象，开展了高分辨率数值模拟研究。

本研究采用大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法，结合Schnerr-Sauer空化模型，对高速水工隧洞中的空化流动进行了详细模拟。计算域包括进口延伸段、收缩段、试验段、扩散段和背压段，总长度超过100米。网格采用棱柱层网格近壁处理，确保壁面Y+值小于1.5，网格总数达1440万。边界条件设置为压力进口和压力出口，壁面采用无滑移条件。通过改变出口压力，实现了空化数（σ）从0.483到1.03的17种工况计算，时间步长为1×10^-4秒。空化溃灭区域的识别基于蒸汽体积分数（α_v=0）、质量转移率（?<0）和压力变化率（dp/dt?0）三个条件，空蚀风险通过溃灭能量在壁面的传播模型进行预测。

4.1. 空化结构的特性

空化结构根据位置分为四个区域：试验段底部（Zone I）、扩散段底部（Zone II）、侧壁（Zone III）和顶壁（Zone IV）。Zone I的空化表现为附着在壁面上的薄片状结构，稳定性较高；Zone II和Zone III的空化则呈现周期性脱落，形成云空化；Zone IV的空化较弱。随着空化数降低，空化长度增加，厚度减小。空化导致流动截面积减小，引起流动阻塞，使中心线速度在阻塞区域升高，压力损失系数随空化数线性增加。

4.2. 空化演化与脱落机制

在低空化数（σ=0.606）下，空化脱落由凝结激波机制主导。下游空泡溃灭产生的压力波传播至空化尾部，形成凝结激波前沿，该前沿向上游传播，导致空化溃灭和脱落。在高空化数（σ=0.89）下，扩散段底部（Zone II）仍由凝结激波机制控制，而侧壁区域（Zone III）则由回射流机制主导。回射流源于强逆压梯度和弱边界层剪切，沿壁面传播并促使空化脱落。这两种机制在隧洞内空间共存，形成分区共存现象，主要源于隧洞几何不对称和重力效应。

4.3. 涡与空化的相互作用

涡结构通过离心效应在涡核产生低压区，促使空化 inception。空化溃灭则对涡结构产生反馈作用，溃灭能量使大尺度涡结构破碎为小尺度涡，导致涡量降低。空化结构与涡结构在时空上紧密耦合，相互影响。

4.4. 空蚀风险预测

基于空化溃灭能量模型，预测了壁面空蚀风险分布。研究发现，空蚀高风险区集中于试验段下游边界线和扩散段下游壁面，与空化集中区域并不重合。Floor壁面的风险最高，侧壁次之，顶壁最低。时间平均的空蚀风险指标显示，溃灭能量超过5 kW/m2的区域为潜在损伤区，需在工程设计中重点防护。

本研究通过高分辨率数值模拟，揭示了大型高速水工隧洞中空化流的复杂演化特性，发现了凝结激波与回射流共存的分区脱落机制，阐明了涡-空化相互作用机理，并建立了空蚀风险预测方法。研究结果对高性能水工隧洞的抗空蚀设计和安全运行具有重要指导意义，为解决高速水流下的空蚀问题提供了新思路。论文发表于《Ultrasonics Sonochemistry》，为相关领域的研究提供了有价值的参考。