振荡壁附近单空化气泡溃灭压力传播的数值分析及其对空蚀控制的意义

《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》：Numerical Analysis of Pressure Propagation Emitted by Collapse of a Single Cavitation Bubble near an Oscillating Wall

本研究针对振荡壁面附近单空化气泡溃灭引发的压力传播问题，通过可压缩两相流模型结合VOF界面锐化技术，系统分析了不同初始距离(S=0.8-1.3)和相位条件(同相φ0=0°、反相φ0=180°)下气泡动力学行为。研究发现振荡壁面条件会显著改变射流形态和压力波传播路径，在S=0.8同相条件下观测到最高压力峰值，而S=1.1反相条件下出现压力峰值拐点，为水下设备空蚀防护提供了新见解。

　　

在船舶推进器、水力机械和医疗超声设备等众多工程领域，空化气泡溃灭产生的极端压力和高速射流一直是引发材料空蚀损伤的根源性问题。当这些气泡在固体壁面附近溃灭时，其动力学行为会因壁面效应产生显著变化，传统研究多聚焦于固定壁面条件，然而实际工程中诸如螺旋桨叶片、泵阀组件等结构常处于振动状态，这种动态边界条件对空化溃灭过程的影响机制尚不明确。

越南科学技术研究院力学研究所的Quang-Thai Nguyen团队在《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》发表的研究，首次系统探讨了振荡刚性壁面对空化气泡溃灭压力传播的调控作用。研究人员通过建立可压缩两相流模型，采用基于MUSCL格式的Riemann求解器，结合移动网格技术精确捕捉气泡界面演化，对六种初始距离(S=0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3)和两种相位条件(同相/反相)共18组工况进行数值模拟。

关键技术方法包括：1）建立基于Volume of Fluid (VOF)界面锐化技术的可压缩两相流控制方程，采用Tait状态方程描述流体压缩性；2）开发广义曲线移动网格算法模拟壁面振荡，壁面运动遵循正弦函数Y_wall=Asin(2πt/4T_A+φ₀)；3）通过特征线法求解对流项，采用Monotone Upstream-centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL)格式保证数值稳定性；4）设置振幅比A/R₀=0.5和周期比T_A/T_R=1.0的关键参数，其中T_R=0.915R₀(ρ_water/(p_water-p_gas))^1/2为Rayleigh溃灭时间。

4.1 同相与反相振荡条件对压力波传播的影响

通过纹影图可视化分析发现，同相条件(φ₀=0°)下气泡溃灭时产生向上射流，压力波强侧向远离壁面方向传播；而反相条件(φ₀=180°)在t/T_R>1.0时出现剧烈溃灭，形成双向射流结构。在S=1.2工况下，反相振荡引发气泡分裂和二次气泡形成，这种流动分离现象归因于壁面运动导致的局部压力梯度突变。

4.2 振荡壁面压力载荷演化规律

压力时序数据显示，S=0.8工况下同相条件的壁面压力峰值达到极值，比固定壁面工况提高约47%。当S>1.0时，反相条件的压力峰值反超同相条件，特别是在S=1.1时出现局部极大值。这种转变与液层厚度变化密切相关：近距离(S≤1.0)时气泡与壁面间液层较薄，射流直接冲击效应占主导；中远距离(S≥1.1)时壁面振荡调制液层压力分布，导致能量聚焦方式改变。

4.3 气泡迁移与射流动力学关联

气泡中心位移DY_c/R₀的定量分析揭示了两类迁移模式：Type 1（向壁面迁移）发生在S=0.8-1.1范围，Type 2（背离壁面迁移）出现在S=1.1-1.3工况。最大射流速度U_cMax^*与压力峰值呈现强相关性，同相条件在S=0.9-1.1区间出现侧流诱导的速度突增，而反相条件在S=1.1时射流速度与压力峰值同步达到极值，证实了流动分离对溃灭能量的重分布作用。

该研究通过系统参数扫描揭示了振荡壁面空化溃灭的若干新现象：首先明确了相位条件与初始距离的耦合效应对压力传播路径的调制规律，首次发现反相振荡在特定距离(S=1.1)能产生较同相条件更高的冲击压力；其次揭示了动态边界条件下气泡迁移模式转变的临界条件，为振动构件空蚀预测提供了理论依据。值得注意的是，研究采用的振荡频率120Hz与水力机械典型振动频段吻合，其发现的射流反转、气泡分裂等现象为主动控制空化溃灭提供了新思路。

尽管该模型未考虑相变热力学效应和壁面弹性变形，但其揭示的动态边界调制机制对船舶推进器减振设计、超声医疗设备优化等领域具有指导意义。未来可进一步研究多气泡相互作用、非正弦振荡波形等复杂工况，推动空化控制从被动防护向主动调控转变。