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什么是空化现象
1.什么是空化
空化是以液体为工作介质的叶片式流体机械中可能出现的一种物理现象，它是一种在液体中发生的现象，在固体活气体中都不会发生。任何一种液体在恒定的压力下加热，当液体的温度升高到某一温度时，就开始汽化，形成汽泡，称为沸腾。而当液体的温度一定，降低压力到某一临界压力时，也会汽化，同时溶解于液体中的气体析出，形成汽泡。汽泡随液体流动到压力较高的位置时，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃灭。伴随着空泡产生、发展和溃灭，还会产生一系列的物理和化学变化。这种由压力的变化而导致的液流内的空泡产生、发展和溃灭的过程以及由此而产生的一系列物理和化学变化，称为空化。
图 1 沸腾现象
图 2 水轮机中的空化现象
图 3 空泡的溃灭过程
2.空化的研究历史
1753年欧拉指出：“水管中的某处压强若降到负值时，水即自管壁分离，而该处将形成一个真空空间，这种现象应予以避免”。19世纪后半叶，伴随着蒸汽轮船的发展，发现螺旋桨转速提高到一定的程度时反而会使航行速度下降。1873年，雷诺曾解释这种现象，他认为是螺旋桨上的压强降到真空时吸入空气所致。1897年巴纳比和帕森斯在英国“果敢号”鱼雷艇发生螺旋桨效率严重下降时，提出了“空化”的概念，并指出液体和固体间存在的高速运动场合可能出现“空化”。
图 4 螺旋桨中的空化现象
3.空化对水力机械性能的影响
在叶片式水力机械中，当空化发展到一定程度时，将影响其性能并妨碍其正常运行。空化对水力机械的影响，主要有以下几个方面：
（1）水力机械能量特性的改变。当空化初生时，对水力机械的外特性并无明显的影响，空化发展到一定的程度时，水力机械的功率、流量、效率等参数突然下降。当进一步发展时，流体的有效过流面积会减少很多，引起液流的中断，无法工作。
（2）引起振动和噪声。空化的过程是非定常的，使液流产生较大的压力脉动，当压力脉动的频率和相关部件的自然频率一致或者接近时，就可能引起零部件或整个机组甚至厂房的振动。
（3）过流部件表面损坏，严重时产生叶片的断裂或者外壳穿孔等重大事故，影响机组的大修周期和使用寿命。
图 5 空泡在叶片表面的发展过程
图 5 空化破坏的叶片表面
你盘子里的，是曾影响二战的深海灭霸
二战期间，为了源源不断地向欧洲战区输送物资和人员，盟军在大西洋上开辟了多条商船航线。这些海上通道的畅通与否，很大程度上影响着战争的走向。于是围绕着大西洋上的海上交通线，盟军护卫舰队与德国U型潜艇展开了一场惊心动魄的“猫鼠游戏”。
在追踪德国潜艇的过程中，盟军舰船的水下侦听设备总是能听到一阵阵奇怪的爆裂声，“噼噼啪啪”就像是木柴在燃烧，此起彼落，很是恼人。类似这样：
音频来源：Del Bohnenstiehl, NC State University
可海里怎么会传出类似木柴燃烧的声音呢？这个问题困扰了盟军很久，直到海洋生物学家们在附近海域里发现了大量成群的鼓虾。
鼔虾俗称枪虾、手枪虾，这并不是一个单独的物种，而是一个科（Alpheidae）的虾的统称，隶属于节肢动物门软甲纲十足目。鼔虾科是一个极为庞大的家族，目前世界范围内已知的就有40余属1000余种。它们广泛分布于温带和热带海域，全面覆盖了二战的主要海洋战场。
有着赛博朋克配色的脆甲鼓虾（Alpheus chiragricus）图片来源：参考文献1
这种体长只有3～5厘米的小虾长着一对令人过目难忘的奇特虾螯——一大一小两只螯极不成比例，其中那只大螯有时能长到2.8cm，达到身长的一半以上。并且与大多数虾螯不同，鼔虾的大螯与其说是钳子，不如说更像是一把“手枪”，盟军舰船听到的爆裂声的秘密就藏在这把“手枪”里。
脆甲鼓虾（Alpheus chiragricus）大螯特写 图片来源：参考文献1
一个响指，毁天灭地虽然科学家们成功锁定了水下噪声的制造者，但受二战时期的条件所限，噪声的发声原理并没有得到正确的解答。1946年，加州大学战争研究部海军电子实验室出具了一份研究报告，在这份“上古时期”的报告当中，科学家们只是将巨大的噪声归咎于大螯快速闭合时的碰撞。
76年前的科学家们手绘了鼓虾大螯的9倍放大图 并认为噪声是大螯闭合时猛烈撞击造成的 图片来源：参考文献2
顺带一提，除了列举详实的照片和数据，这份研究报告的作者还别出心裁地绘制了好几幅漫画，生动形象地描绘了鼓虾们肆意制造海底噪声时的场景，如此可爱的报告笔者还是头一回见，有兴趣的读者可以自行下载观赏。
报告中的鼓虾漫画 图片来源：参考文献2
仅靠大螯的物理碰撞，显然不足以产生能够影响水下侦听设备的巨大噪声，要想解释清楚这个问题，我们首先得了解一下空化效应。
空化与液体沸腾类似，也是由液态到气态的相变现象。当液体局部压力快速降低到饱和蒸气压以下后，液体中的小气核体积会不断膨胀，形成肉眼可见的空泡。而后在外部高压作用下，气泡会产生强烈的坍缩溃灭。
2000年，荷兰特温特大学团队利用高速成像技术和水下听声器，记录下了鼓虾大螯快速闭合的整个运动过程，成功揭示鼓虾发出巨大噪声的原理。
大螯闭合过程不到1毫秒 图片来源：参考文献3
正所谓天下武功，无坚不摧，唯快不破。鼓虾首先会以高达108km/h的速度迅速闭合大螯，喷射出一道速度为32m/s的高速水流。
在中学的物理课上，我们学过流速越高则压力越小，压力变小则液体沸点降低，鼓虾射出的高速水流足以引起大量空化气泡。这些空化气泡紧接着会在压强差的作用下迅速溃灭，发出声响。
相关研究显示，这股声音最高能达到218分贝，比真实的枪声（平均150分贝）还要响，与体型大鼓虾数百倍的抹香鲸（有记录为230分贝）不相上下！成群的鼓虾产生的噪声不仅会干扰舰船的声呐系统，给航行带来重大影响，严重时甚至会导致舰船在海上迷失方向。
鼓虾闭合大螯喷射高速水流 图片来源：youku
这还不是鼓虾最牛的地方！2001年，依旧是来自荷兰特温特大学的研究团队，他们证实了一种更为奇特的现象——“虾光现象”（Shrimpoluminescence）。
鼓虾大螯产生的空化气泡在坍缩溃灭时，整个空泡的势能会集中于一个非常小的点上，能量密度极高。据估算，坍缩到最小体积的瞬间，温度能达到5000开尔文（即4700摄氏温度左右），甚至产生光，这也就是声致发光现象（sonoluminesence）。
由于虾光现象中产生的光的强度要低于普通声致发光产生的光，并且持续时间极短，以纳秒（1纳秒=1/1000000毫秒）计，所以必须借助特殊设备在极度黑暗的环境中才可以捕捉到。
德克萨斯农工大学研究团队用仿生鼓虾装置重现了虾光 红色方片符号是多次实验捕捉到虾光位置 来源：参考文献5
打好响指，是个技术活鼓虾平时的捕猎过程是这样的：大螯快速闭合，高速射流和冲击波会震晕甚至震死周围的小鱼小虾，之后鼓虾就可以大摇大摆地将仍处于昏迷状态的猎物拖回洞穴中进食。一个“响指”就能打出如此巨额的伤害，不得不赞叹鼓虾的技术一点儿也不输灭霸啊！
而要想打好响指，没有点金刚钻还真不行。
首先鼓虾的大螯经过漫长岁月的进化，已经成了件极为精致复杂的机械装置。鼓虾的大螯长得并不像钳子，可以活动的螯锤上有着一个特殊的结构螯塞（即下图中的P），不可活动的螯节上同样有着一个特殊的结构螯槽（即下图中的C）。
枪虾打响指时，会先张开大螯，紧接着通过肌肉控制螯锤快速闭合，螯塞恰好可以嵌入到充满海水的螯槽中，将海水挤出形成高速水流，这个过程就像是挤压注射器，只不过我们可达不到那么快的速度。并且鼓虾是以海水为，它的枪不光威力大，还无限子弹，就问你bug不？
图片来源：维基百科
如果发生意外导致大螯脱落也不用慌，原先的那只小螯会慢慢长成大螯，这种逆转螯不对称性的神奇能力在自然界也是极为罕见的～
其次打造鼓虾大螯的材料有着卓越的性能。爱丁堡大学的研究人员对大螯中最主要的活动部分——螯塞进行了研究，发现螯塞呈现出三明治结构，最外层和最内层由质地坚硬的矿物质组成，包括文石和镁方解石，中间则是层状多孔的几丁质。
这样的结构让螯塞既能够承受住高速闭合带来的高温高压，也能有效隔热和吸收机械能，保护大螯内部的软组织。
鼓虾螯塞的电子显微照片，a为螯塞的横截面；b为螯塞三层结构；c和d为螯塞中间层的高倍率照片。可以清晰地看到层状多孔结构 图片来源：参考文献6
更令人赞叹的是，鼓虾本身还有着厉害的物理防护机制。空泡溃灭有着强大的破坏力，可以使小鱼小虾失去行动能力甚至死亡，但鼓虾自己却不会受此影响。南卡罗来纳大学的研究人员发现，鼓虾的头部有一个头盔状罩子，完全覆盖了眼睛和大脑，这种特殊的硬质罩子可以抵御大螯闭合所产生的冲击波，保护鼓虾免受冲击波所诱导的神经创伤。
这可是全世界第一个被证明可以抑制冲击波的生物装甲系统，能够帮助我们研发更先进的仿生装置，保护人类头部免受爆炸的影响。
图C所示即鼓虾的“头盔” 图片来源：参考文献7
吃货福利时间聊了这么多，相信大家也饿了～鼓虾当然是可以吃的，并且我国沿海的鼓虾数量还不少！例如日本鼓虾（Alpheus japonicus）、鲜明鼓虾（Alpheus disinguendus）就是胶州湾海域虾类的优势种，在青岛随便一个海鲜市场上几乎都能找到。
鼓虾的做法很多，常见的就是锅中加水、盐、姜片、料酒等白灼，配少许葱花提味。鲜明鼓虾体形较大，肉质更为细嫩鲜美，吃起来也比较过瘾；而日本鼓虾的肉质更为筋道多汁，适合细嚼慢咽，回味咂摸。
图片来源：B站视频截图 @懒人饭饭
下次和朋友一起去吃鼓虾的时候，记得宣传一下深海灭霸的事迹哟～
参考文献：
[1] Anker, Arthur & De Grave, Sammy. (2016). An updated and annotated checklist of marine and brackish caridean shrimps of Singapore (Crustacea, Decapoda). The Raffles bulletin of zoology. Suppl 34. 343-454.
[2] D. of W. R. University of California, “Underwater noise caused by snapping shrimp” (San Diego, 1946)
[3] Versluis, Michel & Schmitz, Barbara & Heydt, Anna S. & Lohse, D.. (2000). How Snapping Shrimp Snap: Through Cavitating Bubbles. Science (New York, N.Y.). 289. 2114-7. 10.1126/science.289.5487.2114.
[4] Lohse, D., Schmitz, B. & Versluis, M. Snapping shrimp make flashing bubbles. Nature 413, 477–478 (2001). https://doi/10.1038/35097152
[5] Tang Xin，Staack David. Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation[J].Science advances，2019，5(3).
[6] Parvez Alam, Immanuel Sanka, Lilja Piuli Alam, Saka Wijaya, Erly Sintya, Niken Satuti Nur Handayani, Adolfo Rivero-Müller, The snapping shrimp dactyl plunger: a thermomechanical damage-tolerant sandwich composite, Zoology, Volume 126, 2018, Pages 1-10, ISSN 0944-2006, https://doi/10.1016/j.zool.2017.11.001.
[7] Kingston, Alexandra & Woodin, Sarah & Wethey, David & Speiser, Daniel. (2022). Snapping shrimp have helmets that protect their brains by dampening shock waves. Current biology : CB. 32. 10.1016/j.cub.2022.06.042.
[8] 王艳荣. 中国海鼓虾科（Alpheidae Rafinesque,1815）分类学研究. 中国科学院大学（中国科学院海洋研究所），2017
[9] 逄志伟, 徐宾铎, 陈学刚, 任一平. 胶州湾中部海域虾类群落结构及其多样性. 中国水产科学，2013，20(2): 361-371
[10] 《看到它们，我想起了睡在上铺的兄弟》，海洋欢乐谷，2021-06-23
[11] 《这种小虾能“袭击”军舰，我们成功缴获了它的武器》，果壳，2019-09-15
作者：Ivan
解决水利机械“空化”问题 核电用泵实现国产化
“空化”被称为水力机械的“癌症”，是影响水泵使用寿命与性能的最关键因素之一。在“华龙一号”机组核电用泵国产化研发任务中，科研团队综合运用流体力学、流体机械原理、转子动力学等学科知识，解决了一系列“空化”技术难题。
日前，我国自主研发的第三代核电“华龙一号”，全球第四台、海外第二台机组——巴基斯坦卡拉奇K3机组通过临时验收。至此，“华龙一号”海外首个工程两台机组全面建成投产。
作为机组的关键核心设备之一, K3机组核电用泵实现了全部国产化，其中，江苏大学核电用泵科研团队参与了项目重要核级泵国产化任务，为“华龙一号”走出去贡献了高校科研团队力量。
核电用泵包括哪些泵，各自发挥着什么作用？它们与普通的泵又有哪些不同？研制核电用泵要解决哪些技术难点？记者带着问题走访了江苏大学核电用泵科研团队。
核电站的“心脏”
“华龙一号”是我国核电走向世界的国家名片，是具有完全自主知识产权的三代压水堆核电机组，满足国际最高安全标准，已成为中国为世界贡献的三代核电优选方案。
卡拉奇K2/K3两台机组每年将为巴基斯坦提供清洁电力近200亿度，相当于每年减少标准煤消耗624万吨，减少二氧化碳排放1632万吨，对优化巴基斯坦能源结构、推动实现全球碳达峰碳中和目标和共同应对全球气候危机具有重要意义。
自2006年起，江苏大学核电用泵科研团队与国内多家核电泵制造单位密切合作，承担了第三代核电用泵国产化的技术研发任务，为核电用泵制造单位提供了技术支撑和智力支持。
据团队负责人袁寿其研究员介绍，核电用泵包括核主泵、反应堆冷却循环泵、辅助给水电动泵、上充泵、海水循环泵、前贮槽泵、除气塔疏水泵、乏燃料冷却泵等。江苏大学面向国家核电重大需求，主要从事第三代核电用泵水力基础问题研究、优秀水力模型开发、智能诊断与运维等方面工作。
“核电设备与常规设备相比，最重要的指标是安全和寿命，一般分为4个安全等级，其中核主泵位于安全壳内，安全等级最高。”团队成员、江苏大学能源与动力工程学院副院长高波介绍说，核主泵是用于驱动冷却剂在反应堆冷却系统内循环流动的泵。主泵位于核岛心脏部位，用来将热水泵入蒸发器转换热能，是核电运转控制水循环的关键，属于核电站的一级设备，要求具有绝对的可靠性。
过去，我国的核电站核主泵基本依赖进口，其自主设计和制造是我国推进核电自主化的重点和难点。
其他的核电用泵安全等级稍低，但是可靠性要求依旧很高。比如辅助给水电动泵，它平时处于待机状态，一旦蒸汽发生器主给水系统的任何一个环节发生故障，它就要立即启动，代替主给水泵及其系统进行工作，排出反应堆芯剩余热量，保证核电站的安全。
解决水力机械“癌症”
在生活中，泵随处可见，农田灌溉、石油化工、动力工业、城市给排水等都会用到。在普通人眼里，泵无非就是叶轮、泵壳几大件组成，是个传统设备。
但是，关于泵的基础科学研究一直没有止步。高波告诉记者，江苏大学流体机械及工程是国家重点学科，经过近十年攻关，该校已建成高温高压试验台、水力模型四象限全特性试验台等专门针对核电用泵的试验平台，与中国核电工程有限公司共建核电泵及装置智能诊断运维联合实验室。
“空化”被称为水力机械的“癌症”，是影响水泵使用寿命与性能的最关键因素之一。袁寿其研究员介绍说：“空化是液体流动的一种特有现象，在水力机械设计中是必须考虑的重要因素之一。”
在“华龙一号”机组核电用泵国产化研发任务中，江苏大学科研团队解决了一系列“空化”技术难题。
“我们综合运用流体力学、流体机械原理、转子动力学等学科知识，为制造厂家提供核电泵设计技术支撑。”高波介绍说，其中要充分考虑核泵的特殊运行工况、效率、空化、振动噪声等难点。
2020年底，“华龙一号”机组进入设备安装调试阶段，一台辅助给水电动泵因振动问题无常运行。“振动的原因比较复杂，是一个系统性的问题，如果振动值超标，将影响电站调试运行进度。”高波说道。
为了尽快找到症结，江苏大学科研团队与设备厂家、现场专家在线上远程进行问题研讨和排查，成功协助现场解决了设备振动问题，为核电机组反应堆临界和并网发电工程建设提供了技术支持，受到中国中原对外工程有限公司等相关单位的高度认可。张 晔
来源： 科技日报
什么是空化现象
1.什么是空化
空化是以液体为工作介质的叶片式流体机械中可能出现的一种物理现象，它是一种在液体中发生的现象，在固体活气体中都不会发生。任何一种液体在恒定的压力下加热，当液体的温度升高到某一温度时，就开始汽化，形成汽泡，称为沸腾。而当液体的温度一定，降低压力到某一临界压力时，也会汽化，同时溶解于液体中的气体析出，形成汽泡。汽泡随液体流动到压力较高的位置时，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃灭。伴随着空泡产生、发展和溃灭，还会产生一系列的物理和化学变化。这种由压力的变化而导致的液流内的空泡产生、发展和溃灭的过程以及由此而产生的一系列物理和化学变化，称为空化。
图 1 沸腾现象
图 2 水轮机中的空化现象
图 3 空泡的溃灭过程
2.空化的研究历史
1753年欧拉指出：“水管中的某处压强若降到负值时，水即自管壁分离，而该处将形成一个真空空间，这种现象应予以避免”。19世纪后半叶，伴随着蒸汽轮船的发展，发现螺旋桨转速提高到一定的程度时反而会使航行速度下降。1873年，雷诺曾解释这种现象，他认为是螺旋桨上的压强降到真空时吸入空气所致。1897年巴纳比和帕森斯在英国“果敢号”鱼雷艇发生螺旋桨效率严重下降时，提出了“空化”的概念，并指出液体和固体间存在的高速运动场合可能出现“空化”。
图 4 螺旋桨中的空化现象
3.空化对水力机械性能的影响
在叶片式水力机械中，当空化发展到一定程度时，将影响其性能并妨碍其正常运行。空化对水力机械的影响，主要有以下几个方面：
（1）水力机械能量特性的改变。当空化初生时，对水力机械的外特性并无明显的影响，空化发展到一定的程度时，水力机械的功率、流量、效率等参数突然下降。当进一步发展时，流体的有效过流面积会减少很多，引起液流的中断，无法工作。
（2）引起振动和噪声。空化的过程是非定常的，使液流产生较大的压力脉动，当压力脉动的频率和相关部件的自然频率一致或者接近时，就可能引起零部件或整个机组甚至厂房的振动。
（3）过流部件表面损坏，严重时产生叶片的断裂或者外壳穿孔等重大事故，影响机组的大修周期和使用寿命。
图 5 空泡在叶片表面的发展过程
图 5 空化破坏的叶片表面
什么是超声波空化作用？
超声波空化作用（Cavitation）是一种利用超声波在液体中产生空化现象的物理现象。所谓空化，指的是液体中形成气泡或空腔，而超声波空化作用则是指通过超声波的作用，使液体中的气泡或空腔不断形成、壮大和破裂的过程。超声波空化作用的形成是由于超声波的高频振动所引起的。当超声波传播到液体中时，会使液体分子发生剧烈的振动和运动，造成局部压力的变化。当液体中的局部压力低于液体的蒸气压时，液体中就会形成气泡或空腔。随着超声波的继续作用，这些气泡或空腔会不断壮大，直到达到一定的大小，并在适当的条件下破裂。超声波空化作用在实际应用中具有广泛的应用场景。首先，它可以用于清洗和除垢。由于超声波的高频振动和气泡破裂的冲击力，可以有效地清洗物体表面的污垢和积垢，如清洗金属零件、清洗血液中的细胞和细菌等。其次，超声波空化作用也可以用于医学领域。例如，在手术中使用超声波刀进行切割和破碎，以及利用超声波在体内溶解结石等。此外，超声波空化作用还被应用于化学合成、药物释放、材料改性等领域。超声波空化作用的效果和影响因素与液体的性质、超声波的频率和强度等相关。首先，液体的性质会影响气泡的形成和破裂。例如，液体的粘度和表面张力越大，气泡的形成和破裂就越困难。其次，超声波的频率和强度会影响气泡的形成和破裂速度。一般来说，较高频率和强度的超声波更容易产生更多和更大的气泡，并且破裂的速度更快。总而言之，超声波空化作用是一种利用超声波在液体中产生气泡或空腔并不断壮大和破裂的物理现象。它在清洗、医学和其他领域具有广泛的应用价值。液体性质、超声波频率和强度是影响超声波空化作用效果的重要因素。随着科技的不断进步和应用的拓展，相信超声波空化作用将在更多的领域发挥重要作用。
在亥姆霍兹喷嘴腔内，产生的自激脉冲水射流的有什么振荡特性？
在阅读此文之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持！文|多芬奇
轴对称型腔中的腔体流量振荡对于自激脉冲水刀的运行效率至关重要，自激脉冲水刀在许多实际应用中被广泛使用。
本研究基于壁压特性研究了轴对称空腔中湍流导致腔体流动振荡的行为。使用四个具有不同长度与半径比的亥姆霍兹喷嘴进行实验，流速为20-80 m / s。通过壁压谱分析得到轴对称腔内0个阶流体动力学模态。
基于实验结果，修正了罗西特公式的经验系数，得到参数相位滞后和对流速度与自由流速度之比的值分别为061.0和511.
相比之体共振振荡引起的压力波动的主要原因是自由表面波。如图1所示，腔体的结构决定了声驻波的方向。在浅腔中，由于足够的空腔长度，在流动方向上存在驻波。Hassan[14]研究了不同流速下空腔的流动振荡。
他们的结果表明，当流速超过一定值时发生振荡，并且腔体引起的流动振荡频率随速度的增加而增加;腔体边缘反射空腔产生的自由表面波，而声驻波模式下的激励由空腔和风洞几何形状在一定条件下决定，这会引起脉动并放大压力。
涡旋结构的时空演变伴随着腔体的声学模式。流场的能量输入增强了声波，而高振幅声波激发了涡旋结构的演变，从而在腔内产生流动，从而显示出自我维持振荡的特征。
图1
腔流振荡示意图：（a）深腔，（b）浅腔
实验结果表明，自维持振荡可以显著提高射流的峰值压力和冲蚀能力，有利于扩展射流在油气勘探中的应用。
利用图2所示的轴对称腔诱导自激空化振荡射流，是基于这一原理在水射流工程中的重要应用，可有效显著提高水射流的运行效率。
尽管轴对称腔结构简单，但流过腔体的特性很复杂，流体与空腔之间的相互作用没有阐明。
提高自激发空化水射流运行效率的一个重要因素是流动条件与空腔几何形状之间的适度关系。关于轴对称腔中流动特性的实验研究对于解决这个问题至关重要。
图2
120°撞击边缘亥姆霍兹喷嘴的示意图（a）和照片（b）
在这项研究中，研究了轴对称腔背景下驻留声波与流体动力振荡之间的振荡耦合。一是介绍实验设施和方法的制定;本研究使用了四种不同的轴对称腔配置。随后，讨论了轴对称腔中驻留声波与流体动力振荡之间的振荡耦合。
阿拉伯数字实验设置和程序2.1实验设置使用多功能水刀试验台进行了实验研究，该试验台由水射流理论与新技术湖北省重点实验室独立开发，之前已用于多项研究[17,23]。 型腔流动振荡测试的实验流程图如图3所示。
图3
实验装置示意图：（a）实验系统，（b）测试部分
使用安装在泵出口处的涡轮流量计测量测试部分的流速。对于每个实验，测试部分的流速范围为20至80 m / s。
由于柱塞泵在泵冲程期间的独特工作原理，实验系统中的初始压力波动。为了实时捕获型腔流量振荡，必须将泵引起的扰动降至最低。更具体地说，两个气囊蓄能器分别放置在泵和喷嘴附近的管道中。
3.1压力数据的光谱分析为了提供不同型腔的腔体流量振荡的全局视图，每个型腔内压力波动的功率谱如图4所示。对于每个频谱图，测试部分的流速范围为20至80 m / s，并且同时显示了来自平均61个实验的10个光谱。在频谱图中观察到不同数量的光谱峰，这清楚地表明振荡的频率和幅度与速度有关。
图4
在腔壁上测量的速度相关频谱图
频率相对恒定的频谱峰值如图4b–d所示，这与剪切层不稳定性激发的流体动力学模式不同。假设频谱峰值表征了流音锁定现象或流声共振。
在流声共振期间，确定了高于背景压力的压力振荡幅度足够高，其中压力振荡的峰值幅度达到138 dB。对于振幅较大的振荡峰值，发现流体动力振荡模式的频率与几何共振模式的频率相当。
3.2腔体流动振荡的频率特性为了分析壁压振荡的流体动力学和几何共振模式的统计特征，绘制了局部峰值的频率，如图5所示。该图表明，不同条件引起的几何共振模式的频率几乎没有变化，并且三个阶流体动力学模式的拟合线反映了特定的频率范围。
图5
空腔压力振荡频率与自由流速度的函数关系
如图4所示，流体动力学模式的振荡幅度小于锁紧频率的幅度。随着速度的增加，各阶流体动力模式的频率也相应增加。
同时，几何共振模式与二阶或一阶流体动力模式之间存在频率重合。当速度从20 m/s增加到80 m/s时，观察到频率锁定，不同轴对称腔的频率锁定次数分别为0、1、1和2。
此外，关于振幅，压力振幅谱中的局部最大值表明声驻波与剪切层之间的耦合。值得注意的是，锁定频率的共振幅度比流体动力模式下的压力波动高约一个数量级。这突出了自激发空化水射流在各种工业应用中的容量潜力。
3.3罗西特公式中经验系数的修正在亥姆霍兹喷嘴发出的自激空化水射流中，由于动量交换，在腔口处形成了剪切层。随后，由夹带到剪切层中的流体诱导涡环。
从腔前缘脱落后，涡环不断增大，逐渐变不稳定，直至下游边缘受到影响。随后，压力波向前传播到前壁，进一步加剧了剪切层的不稳定性，并在空腔中产生了新的涡环。当压力波形成有效的周期性反馈时，剪切层中发生振荡。
图6显示了在三个量级流体动力学模式下Strouhal数的变化与自由流速度的函数关系。绘制了罗西特公式与两个修改参数的组合以供比较。如图6所示，在修改经验系数后，Rossiter公式在大多数条件下平滑地拟合到实验数据中。
图6
测量和计算的斯特鲁哈尔数4.1流声共振的特点V 的壁压谱功率在= 26和57 m/s来表征压力振荡的频率，如图7所示。
图7
声压频率图
轴对称腔的压力响应显示出许多附加特征。首先，在特定流动条件下发生声驻波与剪切层的耦合；流体动力学模式的振荡频率是速度的函数，并确定了特定的Strouhal数范围，其中流体动力学模式的频率与几何共振模式一致，并有助于流声共振。
一般来说，随着腔体长度的变化，一阶流体动力模式与自然声学驻波相互作用，大部分能量集中在共振模式中。
换句话说，当流体动力学模式的频率与驻波的共振频率相似时，腔壁处的振荡压力增强，从而导致耦合共振。然而，在这种情况下，其他流体动力学模式下的能量会减少或消失。
4.2几何共振模式的频率预测几何共振模式的频率由腔体结构决定。驻波在流体系统中产生，通过共振波效应引起压力波动，共振波效应由流体系统的几何形状和边界条件定义。然而，腔体中的驻波倾向于与脱落涡相互作用，这会导致更显着的压力波动。因此，型腔内压力振荡的机理很复杂。
因此，本文提出了流体网络与腔内腔流振荡的类比，以研究流体系统的几何共振模式。Liu等人模拟了LC电路的自激吸气射流，其中两个基本类似量的质量流量QM定义了流体电位P，这与电流和电压原理一致。
对于本研究中研究的流体系统，必须考虑下游管道的影响。本研究中使用的流体系统的等效电路如图8所示，从中可以清楚地看出它类似于亥姆霍兹振荡器的等效电路。然而，它们之间的显着区别在于流体电阻和流体电感与流体电容并联的存在，这改变了流体系统的整体阻抗。
图8
模拟液相色谱电路图
综上所述，测试503、745和1096的流声共振平均频率分别为4、3和2 Hz，与频率预测的流体模型一致。
4.3流声共振对自激空化水射流的影响压力增量是评价自激空化水射流运行能力的重要参数。绘制了在四个喷嘴出口处测量的压力增量，如图9所示。观察到出口压力的幅度增加，部分由腔体流量振荡引起。
此外，还发现压力增量与腔体长度有关，当L/r为1时达到最大值，与腔内腔体流振荡强度一致。当L/r = 1时，剪切层的不稳定性导致腔流振荡，导致压力升高。
图9
在喷嘴出口处测量的压力增量
压力增量与耦合共振的振幅一致，这是由于流体动力学模式的强度导致了几何共振模式。
结论轴对称腔体中的压力振荡与自激发空化水射流的机理显著相关。本研究研究了轴对称空腔引起的自激空化水射流的腔流振荡。
通过实验和分析研究了射流的压力振荡和轴对称腔的壁压力。由于难以测量由强空化引起的蒸汽的体积分数，因此理论上无法获得波速的标准值和几何共振模式的频率范围。然而，本研究得出的结论可为喷嘴结构优化提供依据，以提高自激发空化水射流的性能。结论如下：
在轴对称腔发出的自激空化水射流中，剪切层的振荡对应于三个数量级的流体动力学模式。通过拟合实验数据，对罗西特公式进行了修改，使其更适合水中的低马赫数。参数相位滞后值和对流速度与自由流速度之比分别确定为0.061和0.511。壁压的光谱分析揭示了在一定流动条件声共振的发生。当发生流声共振时，观察到高于背景压力的足够高的压力幅度，并且压力振荡的峰值幅度达到138 dB。引用邓莉，丁晓龙， 等.喷嘴入口面积不连续性对自谐振空化水刀特性的影响.机械工程学报，2016，29（4）：1-12.DWlabc， K Yong， C Xwab， et al.集成的CFD辅助自持续振荡射流中空化调制的理论演示。应用数学建模，2020，79：521-543.王鹏，邓轶凡，等。涡激声共振对同轴侧支通道流动动力学的影响。流体物理，2018，30（9）。K M 奈尔，S 萨卡尔。亚音速和超音速流动的自维持腔振荡的大涡模拟。流体工程学报，2016，139（1）。J Basley， L R Pastur， F Lusseyran， et al.使用时间分辨PIV对不可压缩腔流中的全局结构进行实验研究。流体实验，2011，50（4）：905-918.
