自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究

摘要：

本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台,对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究.实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡,通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉.为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制,对比分析了在相同环境压力下,77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性.基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据,阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性.研究结果表明:(1)在相同输入电压下,液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小,当输入电压为400 V时,液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍;同时,液氮单空泡经历了膨胀阶段-收缩阶段-振荡阶段以及上升阶段的演化过程.(2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导,没有明显的塌陷现象,收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍.(3)在液氮空泡振荡初期,空泡相界面传热增强,Rayleigh-Taylor不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应;在整个振荡阶段,空泡界面附近存在破碎的小泡.当输入电压较高时,空泡底部的小泡数量显著增多.(4)由于液氮空泡浮力系数较大,液氮空泡在演化后期空泡整体向上迁移显著,液氮空泡底部收缩更快产生凹陷,促使空泡变为环状.

关键词：液氮、单空泡、动力特性、实验观测

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分类号：O352(流体力学)

资助基金：国家自然科学基金;国家自然科学基金;中国博士后科学基金;重庆市自然科学基金;北京理工大学青年教师学术启动计划资助项目

在线出版日期：2022-10-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共14页

页码：2387-2400