程懷玉，季 斌，龍新平，槐文信

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

受渦心處低壓的影響，葉頂間隙泄漏渦(tipleakage vortex, TLV)空化在軸流式水力機(jī)械中通常最先發(fā)生[1-2]。其一旦發(fā)生往往會(huì)引起效率的顯著下降[3]，振動(dòng)、噪聲的大幅增加[4-5]，甚至有可能產(chǎn)生空蝕[6-7]，對(duì)葉片產(chǎn)生嚴(yán)重的損害，嚴(yán)重阻礙了軸流式水力機(jī)械性能的進(jìn)一步提升[8]，并對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，如何控制TLV 空化一直是人們?cè)诠こ虒?shí)踐中十分關(guān)注的問(wèn)題。

為此，在近幾十年來(lái)，人們提出了很多種抑制TLV 空化的方法。這些控制方法大致可以分為2 類，即主動(dòng)式控制方法和被動(dòng)式控制方法[9-11]。

主動(dòng)式控制方法又可分為注質(zhì)法(mass ejection)、邊界層抽吸法(boundary layer suction)以及二者的混合控制方法(tip blade suction and blowing)等。其中，注質(zhì)法是指往梢渦渦心額外注入流體來(lái)抑制當(dāng)?shù)氐目栈痆12]，如高分子量聚合物溶液[13]、甘油水溶液[14]、空氣[15]以及自由來(lái)流的水[16]等。研究表明：注入介質(zhì)的物性，尤其是粘性，對(duì)空化初生的抑制具有重要影響，粘性越高，對(duì)空化的抑制效果越好。與注質(zhì)法相反，邊界層抽吸法則試圖從邊界層中抽吸少量的流體[17]。但是，邊界層抽吸會(huì)進(jìn)一步降低當(dāng)?shù)貕毫?，在水力機(jī)械中有可能誘發(fā)更為嚴(yán)重的空化。抽吸-注質(zhì)法可以視為上述兩種方式的結(jié)合[18]。該方法與邊界層抽吸法一樣，在水力機(jī)械中使用時(shí)也有可能會(huì)引起更為嚴(yán)重的空化問(wèn)題。

盡管主動(dòng)式控制策略在不同的工況下均可取得較好的效果[19-20]，但是這類方法往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)麻煩，因而很難在實(shí)際水力機(jī)械中得到推廣應(yīng)用。相反，被動(dòng)式方法通常結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，造價(jià)低廉，逐漸得到人們的重視[21-23]。

很多研究都表明：葉片頂部的形狀會(huì)顯著影響葉頂間隙泄漏流動(dòng)的發(fā)展。因此，人們陸續(xù)提出了很多帶有不同葉梢的水翼，如凹槽狀葉頂[24-25]，加厚葉頂[26]、葉頂圓角[27-28]以及葉頂C 形槽[29]等。但是，這類方法的效果高度依賴于間隙尺寸。隨著間隙的增大，其對(duì)TLV 空化的抑制效果會(huì)急劇下降。除了葉片頂部的處理外，對(duì)間隙處的外殼或壁面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪部梢砸种迫~頂間隙流動(dòng)。Dreyer[30]利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)研究了壁面上不同的溝槽方向?qū)LV 空化的抑制效果。當(dāng)間隙大小為1 mm 時(shí)溝槽對(duì)TLV 空化的抑制效果最佳。但是，該方法對(duì)間隙大小非常敏感，一旦間隙大小增大至2 mm，該方法就很難產(chǎn)生明顯的效果。此外，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的渦流發(fā)生器也是一種具有潛力的TLV 空化抑制方法[31]。Andichamy 等[32]則進(jìn)一步指出，在透平機(jī)械的葉片吸力面安裝渦流發(fā)生器可以有效削弱TLV 的強(qiáng)度。反空化櫞(anticavitation lip, ACL)，或稱裙邊，作為一種翼尖拓展裝置，在工程實(shí)踐中得到了初步的應(yīng)用[33]。但是，由于葉頂間隙泄漏渦的復(fù)雜行為，該方法對(duì)TLV 空化的抑制效果也時(shí)常難以令人滿意。當(dāng)間隙較小時(shí)，由于壁面的作用，TLV 往往距離水翼吸力面較遠(yuǎn)，因而很難與安裝在水翼吸力側(cè)的ACL產(chǎn)生直接的作用。在這種情況下，該裝置對(duì)TLV空化基本沒(méi)有什么抑制效果[34]。

通過(guò)以上討論可以看到，盡管眾多研究者提出了多種多樣的TLV 空化抑制策略，但是依然沒(méi)有找到一種切實(shí)可行的、可以在較大間隙范圍內(nèi)均能取得較好效果的TLV 空化抑制方法。應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管溝槽處理和反空化櫞的抑制效果均對(duì)間隙大小十分敏感，但是其影響趨勢(shì)卻是相反的。溝槽處理在間隙很小的情況下，可以取得較為理想的抑制效果，隨著間隙的增大而迅速失效；反空化櫞則在間隙較大時(shí)效果較好，對(duì)小間隙下的TLV 空化難以產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上的抑制作用。這意味著如果能找到一種方式結(jié)合溝槽處理和反空化櫞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，或許就能獲得一種理想的TLV空化抑制方法。

受此啟發(fā)，最近Cheng 等[35]提出了一種全新的懸臂式溝槽TLV 空化抑制器(overhanging grooves, OHGs)，并對(duì)其效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值驗(yàn)證。結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)后的OHGs 對(duì)水翼的升阻力性能的影響很小，對(duì)各個(gè)間隙大小下的TLV 空化均具有較好的抑制效果。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用間隙范圍廣，是一種在工程實(shí)踐中非常具有潛力的被動(dòng)式葉頂間隙泄漏渦空化抑制裝置。

與此同時(shí)，Amini 等[36]在梢渦空化的控制方面也取得了較大進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)中，他們通過(guò)將橢圓翼NACA 16-020 的葉梢部分進(jìn)行不同角度的彎折，利用彎折的部分對(duì)梢渦的發(fā)展進(jìn)行了干預(yù)，有效抑制了梢渦空化的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)對(duì)梢渦空化的抑制效果與彎折的程度高度相關(guān)。當(dāng)葉梢彎折角度從45°變?yōu)?0°時(shí)，其對(duì)梢渦空化的抑制效果得到了顯著的提高。此外，他們的結(jié)果還表明：葉梢部分的彎折方向也會(huì)在很大程度上影響其對(duì)梢渦空化的抑制效果。相比于葉梢彎折方向指向吸力面，葉梢的彎折方向指向壓力面時(shí)可以進(jìn)一步提升其對(duì)梢渦空化的抑制作用。

Cheng 等[35]提出的懸臂式溝槽TLV 空化抑制器OHGs 和Amini 等[36]的葉梢彎折結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上均為翼尖拓展裝置。而Amini 等[36]的研究表明：此類控制裝置凸出部分在水翼的壓力面或吸力面也會(huì)顯著影響其對(duì)旋渦空化的抑制效果，且其處于壓力面時(shí)效果顯著好于指向吸力面。然而，Cheng等[35]在前期的研究過(guò)程中，其懸臂式溝槽TLV 空化抑制器的懸臂凸出方向均為水翼吸力面，未能考慮其處于壓力面的情況。

為此，本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)Cheng 等[35]提出的懸臂式溝槽TLV 空化抑制器，結(jié)合實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法，進(jìn)一步探究該裝置懸臂凸出方向?qū)ζ銽LV 空化抑制效果的影響，并揭示其內(nèi)在的流動(dòng)機(jī)制，以期進(jìn)一步提高該裝置對(duì)TLV 空化的抑制效果，為工程實(shí)踐提供參考。

1 懸臂式溝槽抑制器

圖1 給出了NACA0009 水翼及懸臂式溝槽TLV 空化抑制器的結(jié)構(gòu)示意圖。Cheng 等[35]在研究中對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：對(duì)于NACA0009 水翼而言，當(dāng)W1/h=W2/h=0.2，H/h=0.3,T/h=0.2 時(shí)，OHGs 對(duì)TLV 空化的抑制效果最好，且其對(duì)水翼的水動(dòng)力學(xué)性能影響可以忽略不計(jì)。其中，W1為相鄰兩根懸臂的間距，亦即溝槽的寬度，W2為懸臂的寬度，h=10 mm 為水翼最大厚度，見(jiàn)圖1?？紤]到本文主要目的是為了進(jìn)一步對(duì)比分析懸臂凸出方向的影響。因此，在選取對(duì)比結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，懸臂式溝槽TLV 空化抑制器的關(guān)鍵參數(shù)均保持與文獻(xiàn)[35]中的一致，即懸臂式溝槽抑制器結(jié)構(gòu)參數(shù)亦為W1/h=W2/h=0.2，H/h=0.3，T/h=0.2，詳見(jiàn)圖2。

圖1 原始水翼及帶懸臂式溝槽水翼結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Sketches of original hydrofoil and foils with OHGs

圖2 懸臂式溝槽抑制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，懸臂指向壓力面Fig. 2 Parameters of OHGs, pressure side

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

本文中的葉頂間隙泄漏渦空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)主要在瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL)的高性能空化水洞中進(jìn)行。圖3 是該水洞的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括測(cè)試段、循環(huán)水泵、除氣管道及循環(huán)管道等。其中，測(cè)試段尺寸為150 mm×150 mm ×750 mm，測(cè)試段流速最高可達(dá)50 m/s，最高可承受16 個(gè)大氣壓。得益于其良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)試段入口處的來(lái)流湍流度一般小于0.3%，是較為理想的葉頂間隙泄漏渦空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖3 EFPL 水洞結(jié)構(gòu)示意圖[30]Fig. 3 Sketch of EPFL cavitation tunnel[30]

圖4 為照相機(jī)、頻閃儀與水翼相對(duì)位置的實(shí)物照片。本文實(shí)驗(yàn)使用的照相機(jī)型號(hào)為Nikon D200。照相機(jī)垂直于水洞的主流方向，其軸線與水翼的中軸線重合。頻閃儀從照相機(jī)的同側(cè)斜上方照射到水翼的葉片頂部，實(shí)驗(yàn)中使用的頻閃儀頻率為20 Hz。在葉頂間隙泄漏渦空化發(fā)展過(guò)程中，由于空穴對(duì)光的散射，當(dāng)光照射到空化區(qū)域時(shí)，該區(qū)域呈現(xiàn)為高亮的白色；當(dāng)光照射到無(wú)空化區(qū)域時(shí)，由于水洞的內(nèi)壁面為黑色，因此該區(qū)域呈現(xiàn)為黑色。

圖4 空化圖像采集裝置布置實(shí)物圖Fig. 4 Image collection system for TLV cavitation

本文的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要為TLV 空化的抑制效果觀測(cè)及水翼的水動(dòng)力學(xué)性能測(cè)量。具體實(shí)驗(yàn)流程如下所述。

2.1 TLV 空化的抑制效果觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，先按圖4 所示的實(shí)物圖布置好各實(shí)驗(yàn)設(shè)備。具體步驟如下：

1) 將已安裝有TLV 空化抑制裝置的水翼安裝在可調(diào)節(jié)間隙大小的水翼固定裝置上，并將其安裝于水洞的觀測(cè)段；

2) 對(duì)水洞進(jìn)行注水、除氣等操作后，將水洞速度調(diào)節(jié)至10 m/s，來(lái)流入口處壓力調(diào)節(jié)至1 bar；

3) 將間隙大小依次調(diào)節(jié)至表1 所示的各個(gè)間隙大小，利用空化圖像采集裝置對(duì)各個(gè)間隙大小下葉頂間隙泄漏渦空化進(jìn)行圖像采集。每個(gè)工況各采集100 張照片，相鄰兩張照片之間的時(shí)間間隔為2 s；

4) 對(duì)水洞進(jìn)行排水后，更換TLV 空化抑制裝置，重復(fù)以上各步驟，以獲取在安裝各空化抑制裝置時(shí)各間隙大小下TLV 空化的形態(tài)。

表1 中，無(wú)量綱化的間隙大小τ被定義為：

式中：d為間隙實(shí)際大??；h=10 mm 為水翼的最大厚度。

2.2 水動(dòng)力學(xué)性能的測(cè)量

為了驗(yàn)證TLV 空化抑制裝置對(duì)水翼水動(dòng)力學(xué)性能的影響，需對(duì)其升阻力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。需要注意的是，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，本文僅能對(duì)τ=0.15、0.8 兩個(gè)間隙大小下的水翼升阻力進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

1) 將原始水翼或已安裝有TLV 空化抑制裝置的水翼安裝在帶有力(矩)測(cè)量單元的水翼固定裝置上，并將其安裝于水洞的觀測(cè)段，調(diào)整間隙大小至τ=0.15；

2) 對(duì)水洞進(jìn)行注水、除氣等操作后，將水洞速度調(diào)節(jié)至10 m/s，將入口處壓力調(diào)整至3 bar 左右，以確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)空化發(fā)生；

3) 依次調(diào)整水翼攻角，并利用力(矩)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)攻角在±16°范圍內(nèi)的水翼升阻力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，獲得其水動(dòng)力學(xué)特性曲線；

4) 對(duì)水洞進(jìn)行排水后，將間隙大小調(diào)整為τ=0.8，重復(fù)以上各步驟，以獲取此間隙大小下水翼的水動(dòng)力學(xué)特性曲線。

3 數(shù)值模擬方法

為了獲得更為詳細(xì)的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，本文還針對(duì)葉頂間隙泄漏渦空化流動(dòng)開(kāi)展了精細(xì)的數(shù)值計(jì)算。需要指出的是，由于葉頂間隙泄漏渦空化流動(dòng)非常復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行高精度的數(shù)值計(jì)算需要消耗大量的計(jì)算資源。為此，本文在數(shù)值模擬中僅對(duì)τ=0.2、0.7、2.0(分別對(duì)應(yīng)小、中、大間隙)三個(gè)間隙大小下的間隙空化流場(chǎng)進(jìn)行了高精度的數(shù)值計(jì)算。本課題組前期的研究表明：這三個(gè)間隙大小能夠反映葉頂間隙泄漏渦空化流動(dòng)中的典型流動(dòng)特性，具有一定的代表性。具體的計(jì)算方法與本課題組在前期研究[35]中的采用的計(jì)算方法完全一致，在此不再贅述。

4 結(jié)果與討論

4.1 懸臂凸出方向?qū)LV 空化抑制效果的對(duì)比

圖5 對(duì)比了采用不同懸臂凸出方向時(shí)，懸臂式溝槽TLV 空化抑制器對(duì)TLV 空化的抑制效果。此外，為了更為清晰地展示兩種懸臂式溝槽TLV空化抑制器對(duì)TLV 空化發(fā)展的影響，圖6 還進(jìn)一步給出了3 個(gè)典型間隙大小(τ=0.2、0.7、2.0)下實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬得到的瞬時(shí)TLV 空化形態(tài)?？梢钥吹?，相比于原始水翼葉頂處的TLV 空化，無(wú)論懸臂凸出方向指向吸力面還是壓力面，OHGs 在各個(gè)間隙大小下均能產(chǎn)生顯著的抑制效果。

圖5 時(shí)均TLV 空化形態(tài)的對(duì)比Fig. 5 Comparison of time averaged TLV cavities

圖6 三個(gè)典型間隙大小下瞬時(shí)TLV 空化形態(tài)的對(duì)比(模擬結(jié)果為氣體體積分?jǐn)?shù)αv=0.1 等值面)Fig. 6 Comparison of instantaneous TLV cavities with three typical gap sizes (numerical results are visualized with iso-surface of αv=0.1)

相對(duì)而言，當(dāng)懸臂凸出方向指向壓力面時(shí)，其對(duì)TLV 空化的抑制效果更為顯著。從圖5 中可以看到，當(dāng)間隙大小τ=0.2 時(shí)，處于吸力面的懸臂式溝槽TLV 空化抑制器可以在一定程度上抑制TLV空化，但其效果有限，TLV 空化依然發(fā)展到了水翼中部。但是，當(dāng)懸臂凸出部分處于壓力面時(shí)，TLV 空化基本僅發(fā)展至1/4 弦長(zhǎng)處。隨著間隙的逐漸增大，懸臂凸出部分處于壓力面的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)也愈發(fā)明顯。

當(dāng)間隙大小τ=0.7 時(shí)，對(duì)于懸臂處于吸力面的OHGs 而言，其對(duì)應(yīng)的TLV 空化雖然相比原始水翼有了較為顯著的削弱，但其依然發(fā)展到了水翼尾邊的下游。而當(dāng)采用懸臂凸出方向?yàn)閴毫γ鏁r(shí)，TLV 空化已經(jīng)基本完全得到了抑制，時(shí)均圖像中已經(jīng)難以觀察到TLV 空化。

隨著間隙的進(jìn)一步增大，如τ=2.0 時(shí)，TLV空化的強(qiáng)度本身也在逐漸減弱，因此兩種OHGs基本都能完全抑制TLV 空化。

總體而言，兩種懸臂式溝槽TLV 空化抑制器均能在各個(gè)間隙大小下產(chǎn)生較為顯著的TLV 空化抑制效果。相較于懸臂方向?yàn)槲γ?，?dāng)采用懸臂凸出方向朝向壓力面時(shí)，該裝置對(duì)TLV 空化的抑制效果更為顯著。

4.2 懸臂凸出方向?qū)LV 空化體積及其脈動(dòng)的影響

式中：VTLV為TLV 空化的體積；Vh為水翼的體積。

從圖7 中可以看到，對(duì)于這三個(gè)典型工況而言，無(wú)論懸臂凸出方向指向吸力面還是壓力面，OHGs 均能顯著減小TLV 空化的體積。當(dāng)間隙大小τ為0.2 且懸臂凸出方向指向吸力面時(shí)，加裝OHGs 裝置后在葉頂附近的無(wú)量綱化時(shí)均體積大小為8.00，相較于未加裝OHGs 時(shí)的總體積減小了約32%；而當(dāng)懸臂凸出方向指向壓力面時(shí)，加裝OHGs 后TLV 空化的體積得到了進(jìn)一步的抑制，僅為未加裝OHGs 時(shí)TLV 空化體積大小的52.4%。當(dāng)間隙大小增加至0.7 時(shí)，加裝懸臂凸出方向指向吸力面的OHGs 后，TLV 空化體積銳減至加裝前的10%左右；而當(dāng)懸臂凸出方向指向壓力面時(shí)，則進(jìn)一步減小至5.5%。對(duì)大間隙工況而言，兩種OHGs 都基本可以完全抑制葉頂間隙泄漏渦空化，其空化體積大小均僅為加裝OHGs 前的3%左右。

圖7 時(shí)均空泡體積Vcav的對(duì)比Fig. 7 Comparison of Vcavfor the baseline and OHGs

此外，在抑制TLV 空化的不穩(wěn)定性方面，懸臂凸出方向指向壓力面的OHGs 也具有更好的表現(xiàn)。圖8～圖10 分別給出了三個(gè)典型間隙大小下無(wú)量綱化空穴體積Vcav隨流動(dòng)時(shí)間的變化?？梢钥吹?，當(dāng)懸臂凸出方向指向壓力面時(shí)，TLV 空化體積的脈動(dòng)幅度也更小，這對(duì)抑制系統(tǒng)的振動(dòng)及噪聲也大有裨益。

圖8 無(wú)量綱化空泡體積Vcav 的變化, τ=0.2Fig. 8 Fluctuations of Vcav for the baseline and OHGs, τ=0.2

圖9 無(wú)量綱化空泡體積Vcav 的變化, τ=0.7Fig. 9 Fluctuations of Vcav for the baseline and OHGs, τ=0.7

圖10 無(wú)量綱化空泡體積Vcav 的變化, τ=2.0Fig. 10 Fluctuations of Vcav for the baseline and OHGs, τ=2.0

4.3 懸臂凸出方向?qū)λ硭畡?dòng)力學(xué)性能的影響

以往的研究及工程實(shí)踐表明，流動(dòng)控制裝置的引入有可能會(huì)影響流體機(jī)械的水動(dòng)力學(xué)性能。為此，本文還進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)量了加裝懸臂式溝槽TLV 空化抑制器前后水翼升、阻力系數(shù)隨攻角的變化。其中，升、阻力系數(shù)的定義分別為：

式中：Fy為水翼受到的升力大?。籉x為水翼受到的阻力大??；S為水翼的實(shí)際展長(zhǎng)。

需要注意的是，由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，實(shí)驗(yàn)中僅能對(duì)τ為0.15 和0.8 兩個(gè)典型間隙大小的升阻力系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖11～圖14 所示。這兩個(gè)間隙大小可分別對(duì)應(yīng)于小間隙、中等間隙工況，具有較好的代表性，基本可以反應(yīng)該裝置對(duì)水翼水動(dòng)力學(xué)性能的影響[35]。還需要指出的是，在本文測(cè)量的工況下，水翼的臨界失速攻角略大于10°?？梢钥吹?，無(wú)論懸臂凸出方向是吸力面還是壓力面，加裝懸臂式溝槽TLV 空化抑制器后對(duì)水翼升阻力特性的影響很小，基本可以忽略。

圖11 水翼升力系數(shù)隨攻角的變化，τ=0.15Fig. 11 Lift coefficient versus attack angle, τ=0.15

圖12 水翼阻力系數(shù)隨攻角的變化，τ=0.15Fig. 12 Drag coefficient versus attack angle, τ=0.15

圖13 水翼升力系數(shù)隨攻角的變化，τ=0.8Fig. 13 Lift coefficient versus attack angle, τ=0.8

圖14 水翼阻力系數(shù)隨攻角的變化，τ=0.8Fig. 14 Drag coefficient versus attack angle, τ=0.8

4.4 懸臂方向?qū)LV 空化抑制效果的流動(dòng)機(jī)制

為了進(jìn)一步解釋懸臂凸出方向?qū)LV 空化抑制效果的影響機(jī)制，圖15～圖17 給出了無(wú)空化時(shí)三個(gè)典型間隙大小下原始水翼及加裝兩種懸臂式溝槽TLV 空化抑制器后在x/C=0.25 截面上間隙附近的壓力及切向速度分布?？梢钥吹?，加裝兩種懸臂式溝槽TLV 空化抑制器后，TLV 附近的流動(dòng)均產(chǎn)生了較大改變。在懸臂式溝槽TLV 空化抑制器的影響下，通過(guò)葉頂間隙從壓力面流動(dòng)到吸力面的泄漏流在吸力面的卷起過(guò)程變得十分混亂。當(dāng)間隙較小(如τ=0.2)時(shí)，加裝懸臂凸出方向指向吸力面的OHGs 后，吸力面的流動(dòng)已經(jīng)難以觀察到較為完整的單個(gè)旋渦結(jié)構(gòu)，取而代之的是多個(gè)大小不一的旋渦群。而當(dāng)采用懸臂凸出方向指向壓力面的OHGs 時(shí)，吸力面的流動(dòng)也更為復(fù)雜，這可以有效抑制TLV 的旋渦生長(zhǎng)，進(jìn)而抑制當(dāng)?shù)氐目栈?。?dāng)τ增大至0.7 時(shí)，OHGs 對(duì)TLV 發(fā)展的干擾也更為明顯。間隙內(nèi)泄漏流的速度得到了顯著抑制，TLV 渦心處的壓強(qiáng)得到了顯著的上升，有效抑制了當(dāng)?shù)氐目栈?。相比于懸臂凸出方向指向吸力面，指向壓力面的OHGs 對(duì)泄漏流的抑制效果更為顯著，渦心附近的壓力也更高，因而產(chǎn)生了更優(yōu)的TLV 空化抑制效果。當(dāng)間隙較大(如τ=2.0)時(shí)，兩種OHGs 均能有效干擾TLV 的生長(zhǎng)，很好抑制了由于當(dāng)?shù)貕航狄鸬目栈?/p>

圖15 間隙附近的壓力及速度分布，τ=0.2Fig. 15 Distributions of pressure and tangential velocity around the gap, τ=0.2

圖16 間隙附近的壓力及速度分布，τ=0.7Fig. 16 Distributions of pressure and tangential velocity around the gap, τ=0.7

圖17 間隙附近的壓力及速度分布，τ=2.0Fig. 17 Distributions of pressure and tangential velocity around the gap, τ=2.0

綜上，兩種懸臂式溝槽TLV 空化抑制器均能在較大程度上干擾TLV 的發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生較為理想的TLV 空化抑制效果。相比于懸臂凸出方向指向吸力面，指向壓力面的OHGs 可以更有效地阻礙泄漏流，干擾TLV 的生長(zhǎng)，因而可以產(chǎn)生更為有效的TLV 空化抑制效果。

5 結(jié)論

本文綜合利用實(shí)驗(yàn)及大渦模擬方法，以繞NACA0009 水翼葉頂間隙泄漏渦空化流動(dòng)為主要研究對(duì)象，細(xì)致討論了懸臂式溝槽葉頂間隙泄漏渦空化抑制器的懸臂凸出方向?qū)ζ湟种芓LV 空化效果的影響，并對(duì)內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了深入討論。主要結(jié)論如下：

(1) 相比于原始水翼葉頂處的TLV 空化，無(wú)論懸臂凸出方向指向吸力面還是壓力面，懸臂式溝槽TLV 空化抑制器在各個(gè)間隙大小下均能產(chǎn)生顯著的抑制效果；

(2) 相對(duì)而言，當(dāng)采用懸臂凸出方向?yàn)閴毫γ鏁r(shí)，該裝置對(duì)TLV 空化的抑制效果更為顯著，且可更有效地抑制TLV 空化體積脈動(dòng)。懸臂凸出方向?qū)λ砩?、阻力系?shù)影響均很??；

(3) 當(dāng)采用懸臂凸出方向?yàn)閴毫γ鏁r(shí)，懸臂式溝槽TLV 空化抑制器可以更為有效地抑制流體從壓力面流向吸力面，干擾TLV 的生長(zhǎng)，因而可以更為有效地抑制TLV 空化的發(fā)展。