基于欧拉-拉格朗日多尺度方法的旋流中空化涌浪特性研究

推荐：为解决流体机械中伴随强旋流的空化涌浪引发的振动、噪声等问题，研究人员采用双向耦合欧拉-拉格朗日（E-L）多尺度空化模型，揭示了扩散段内空化涌浪的非稳态特性。结果表明，降低空化数σ会增强回流发展，而减小旋流数Sw会加剧涡量波动，为工程中空化-涡流-回流相互作用机制提供了新见解。

　　

在流体机械领域，空化涌浪伴随强旋流的现象普遍存在，这不仅会引发设备振动、噪声和空蚀，还会影响运行效率与稳定性。尽管空化技术被广泛应用于废水处理、化学反应等领域，但复杂结构导致的空化涌浪与旋流耦合机制仍不明确。传统实验受限于成本和设备，而数值模拟方法如雷诺平均（RANS）或混合大涡模拟（LES-RANS）难以捕捉多尺度空化结构的瞬态细节。

针对这一难题，中国水利水电科学研究院的研究人员采用创新的双向耦合欧拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrangian, E-L）多尺度方法，通过大涡模拟（LES）结合体积分数（VOF）界面捕捉技术，在OpenFOAM平台上开发了求解器，对扩散段内空化涌浪的演化特性进行深入研究。该成果发表在《Ultrasonics Sonochemistry》上，为揭示空化-涡流-回流相互作用机制提供了重要理论支撑。

研究团队通过WALE亚网格模型和Schnerr-Sauer空化模型，结合拉格朗日离散气泡跟踪方法，实现了宏观空穴与微观气泡的耦合模拟。关键实验设计包括两种典型工况（σ=7.52/Sw=1.81和σ=11.41/Sw=0.80）的对比分析，采用结构化网格（约206万网格）和固定时间步长（5×10^-5 s）确保计算精度。

多尺度空化流动特性

研究发现空化涌浪呈现轴对称结构、破碎点和螺旋结构三种状态。气泡运动遵循螺旋轨迹，其尺寸分布符合-4/3（小气泡）和-10/3（大气泡）幂律规律。降低空化数σ使轴对称区长度增加，而减小旋流数Sw会加剧螺旋结构的旋转畸变。

空腔体积与压力脉动分析

通过快速傅里叶变换（FFT）识别出两类特征频率：空化脱落频率f_Ⅰ（8.92-15.83 Hz）和涡绳运动频率f_Ⅱ（62.82-93.63 Hz）。螺旋涡区的f_Ⅱ显著低于轴对称区，气泡回弹现象会增强中高频压力脉动强度。

空化-涡流-回流相互作用

研究表明，空化会增强扩散段速度梯度（?u_y/?x），促进回流发展。涡量输运方程分析显示，拉伸项和膨胀项主导流动，其等值面在空化主导工况下呈连续螺旋带状分布。

该研究首次通过E-L方法完整揭示了旋流中多尺度空化涌浪的演化规律，为水力机械优化设计提供了重要依据。特别是提出的气泡尺寸分布律和涡量输运机制，对理解空化噪声产生、能量耗散等工程问题具有指导意义。未来研究可进一步结合动态模态分解（DMD）等方法，深入探究空化涡绳的三维模态特征。