PDF《加热球体入水空泡实验研究 李佳川 魏英杰 王聪 邓环宇》

Gylys 等[15] 通过 测量不同温度球体在水中下落的平均速度, 证明了 高温可以减小球体在水中运动的阻力, 减阻效果在 不同温度范围内有所不同;

Vakarelski等[16] 采用与 Marston 等[13] 的研究相似的氟化液体, 实验结果 表明, 当球体达到一定温度时阻力系数急剧变小, 超过这一温度, 阻力系数变化幅度减小, 并提出阻 力降低的原因是液体汽化在球体表面形成一层蒸 ? 黑龙江省自然科学基金 (批准号: A201409)、 哈尔滨市科技创新人才研究专项基金 (批准号: 2013RFLXJ007) 和中央高校基本科研 业务费 (批准号: HIT.NSRIF.201159) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 204703-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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204703 汽膜, 使球体尾部的流动分离点后移, 减小了压差 阻力;

在之后的研究中, Vakarelski 等[17,18] 对球体 表面进行了疏水性处理, 使蒸汽膜能够平稳溃灭以 提高球体在水中运动的稳定性;

Li 等[19] 对熔融金 属液滴撞击液体冷却剂自由表面的运动特性进行 了研究, 在撞击的初始阶段, 液滴做减速运动, 持续 一段时间后液滴开始加速, 之后液滴再次减速, 只 是速度衰减的幅度比较小, 最终液滴的速度达到稳 定值;

近期, Marston 等[20] 和Ding 等[21] 对水面喷 溅和气 -固-液接触线等问题进行了研究. 关于球体 入水空泡更细微的表面特性正受到广泛关注. 空泡 的存在将使金属热处理时冷却不均匀而产生应力 集中等问题, 因此对于加热球体入水空泡的研究在 金属热处理领域也具有重要意义. 随着球体温度的 升高, 水绕球体流动的边界层将发生复杂的变化, 边界层状态对航行体水中运行的阻力具有很大影 响, 因此本文的研究可能为以后提出较新的水下减 阻方法做出贡献. 本文对温度范围为 17―800 ? C 球体入水空泡 开展了实验研究, 由于水的沸点和汽化潜热较高, 与Marston 等[13] 的研究相比, 温度对入水空泡形 成的影响更为复杂. 随着温度的升高, 球体表面 粗糙度、 疏水性和流动的湍动性发生了变化, 这些 变化对空泡的形成均具有一定的影响. 本文根据 传热学与流体动力学理论, 并结合相关文献, 分析 了温度变化对空泡形成的影响机理. 本文对 1.5― 3.8 m/s 范围内速度对不同温度球体入水空泡的影 响进行了分析, 其中

330 ? C 球体在较低速度下可 以生成空泡, 但随着速度的增加却无法形成空泡, Marston 等[13] 曾简单提到相似的反常现象, 但却 没有给出相应的结果与解释, 本文根据实验现象与 传热理论对这一现象进行了解释. 本文的研究对今 后研究温度对入水空泡的影响具有借鉴作用.

2 实验系统及方法 实验系统如图

1 所示. 本文实验采用未经处理 的Gcr15轴承钢球体, 球体密度ρs =

7786 kg・m?3 , 直径 D =

25 mm. 水槽的尺寸为 1.5 m * 0.8 m * 0.9 m, 相比球体有较大的尺度, 可以忽略边壁效 应对入水空泡形态的影响. 水槽四周与底部采用强 度较高的钢化玻璃, 底部铺有厚度为

10 mm 的橡 胶保护层, 以防止高温和球体冲击损坏底部玻璃. 水槽四周玻璃上端由铝型材固接, 通过连接件在水 槽上方搭建具有刻度的铝型材作为标尺, 实验时对 照标尺由坩埚钳在水槽中心位置的正上方小心地 释放小球, 实现对球体入水速度的控制. 将水在水 槽中室温下贮存