掺气水流声速的研究 Study on the sound velocity in an aerated flow.pdfVIP

水 利 学 报 2013年9月 SHUILI XUEBAO 第44卷 第9期 文章编号：0559-9350（2013）09-1015-08 掺气水流声速的研究 张宏伟，刘之平，张 东，吴一红 （中国水利水电科学研究院，北京 100038） 摘要：采用一维双流体模型，利用小扰动原理研究了压力波在水气两相泡状流中的传播规律。针对水利工程中高 速掺气水流的特点，对方程进行合理模化和封闭。详细分析了掺气浓度、压力、扰动频率、相间相互作用力对掺 气水流中声波传播速度和衰减的影响。结果表明，适当的掺气浓度会使掺气水流的声速显著降低；压强的减小和 相间传热的增强可使声速减小、衰减加快；虚拟质量力主要影响高频声速，并使声波衰减减慢。 关键词：掺气水流；双流体模型；声速；衰减 + 中图分类号：TV131.34 文献标识码：A 1 研究背景 在高水头泄水工程中，高速水流掺气是一种普遍而又重要的流动现象。高速掺气水流的可压缩 ［1］ 性问题一直受学术界关注，如Cain等 发现高速掺气水流（流速大于30m/s）存在可压缩性的影响。李 ［2］ 炜 将掺气水流与空气动力学领域的超音速流进行类比，认为高速掺气水流存在与不可压缩流完全不 ［3］ 同的现象和特点，因此应考虑其可压缩性的影响。赵建福等 进一步提出了高速掺气水流的压缩性准 ［4］ 则并对可压缩掺气水流进行了一维特征分析。倪汉根 认为掺气减蚀的机理是由于掺气导致水流声速 降低，空泡溃灭时传至壁面的冲击压力大大减小。然而高速掺气水流的可压缩性问题并没有得到学 术界的广泛认同，文献［5］认为当掺气水流的马赫数大于1时，水流具有“似可压缩性”，而没有明确 称为“可压缩性”，这种说法本身就是对掺气水流可压缩性存疑的体现。究其原因，是由于掺气水流 可压缩性问题的复杂性，研究远未深入，至今没有成熟的研究成果，掺气水流的基本问题—声速问 题，目前的研究也很不全面。要认识掺气水流的可压缩性问题，揭示其流动现象和特点，必须首先 对掺气水流的声速问题进行深入研究。 在可压缩单相流中，声速可表示为c = ∂p ∂ρ 。对于完全气体，声速大小与受扰动时气体状态变 化过程有关，或者说取决于受扰动气体与周围介质偏离热平衡的程度，两种极端情况是等温和绝 热，分别对应等温声速和绝热声速。 对于气液二相流，情况要复杂很多。声波在两相介质中的传播速度，不仅与气液两相的声速有 关，更依赖于两相间动量和能量的交换。而相间动量和能量交换不仅与两相流流型密切相关，还受 扰动频率的影响。 ［6］ 早在1910年，Mallock 就发现气液两相介质的声速大大低于单相气体或液体。后来由于科技发 ［7］ 展和工程应用需要，许多学者对气液两相流声速进行了研究。Landau等 研究了水和蒸汽系统的平 ［8］ 衡绝热声速。Wallis 从临界流条件出发，研究了气液两相流中包含相变影响的平衡等焓声速，还给 ［9］ 出了无相变的均质流和分层流声速公式。Nguyen等 通过假定一相的相界面为另一相的弹性壁，对 ［10］ 均质流、分层流和团状流的声速进行了研究，并给出了各流型的声速公式。刘大有 研究了两相速 收稿日期：2013-04-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目