近壁區(qū)空化泡潰滅過程中，常伴隨著氣液交界面的劇烈變形，局部氣液交界面具有極大的曲率，在這些地方，表面張力往往對空化泡演化形態(tài)、潰滅強度、微射流分布具有重要的影響。而目前基于LBM偽勢模型的空化泡潰滅過程的模擬極少考慮表面張力對空化泡演化的影響。因此本研究引入表面張力調(diào)節(jié)外力項，建立可調(diào)節(jié)表面張力的LBM偽勢空化模型，分析不同表面張力對空化泡潰滅過程的影響，揭示表面張力對空化泡微射流流速分布、最大壓力變化、空化泡形態(tài)演化的影響。

表面張力對空化泡潰滅過程的影響

本節(jié)選取空化泡內(nèi)外初始壓差Δp=0.003 8、0.006 8、0.010 2 mu/(lu·tu2)三種壓力，無量綱距離λ=1.6條件下，不同表面張力系數(shù)對空化泡潰滅過程中潰滅形態(tài)、流場、最大微射流速度和最大潰滅壓力的影響。

圖1展示了Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)不同表面張力條件下空化泡潰滅最終形態(tài)及流場。對比不同表面張力條件下壓力分布，隨著表面張力減小，空化泡上方高壓區(qū)面積增大，同時空化泡與壁面之間的低壓區(qū)面積減小。在較小表面張力條件下，空化泡更易發(fā)生變形，界面曲率半徑更小，空化泡潰滅最終時刻形變更大，導致潰滅形成的微射流流速更為集中。

圖1不同表面張力條件下空化泡潰滅最終時刻密度、速度和壓力分布密度

圖2展示了Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)時不同表面張力條件下空化泡潰滅過程中最大流速和最大壓力演化過程。潰滅過程中更大的表面張力條件下空化泡積蓄了更多的表面能，并在潰滅最后階段迅速釋放，導致了更大的空化泡潰滅速度。隨著表面張力增加，空化泡潰滅時間增加，同時空化泡潰滅最大流速也相應(yīng)增加。當表面張力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2時，空化泡潰滅流速由0.404 lu/tu增加到0.512 lu/tu，速度增加了26.8%。由圖2(b)可知，在空化泡潰滅最后階段，由于空化泡內(nèi)水蒸氣在短時間內(nèi)發(fā)生相變，潰滅壓力迅速增加。且更大的表面張力阻礙了空化泡的形變和潰滅，導致空化泡潰滅壓力減小。在Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)壓力條件下，當表面張力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2時，空化泡潰滅過程中最大壓力由0.049 mu/(lu·tu2)增加到0.064 mu/(lu·tu2)。

圖2不同表面張力條件下空化泡潰滅過程中最大速度和最大壓力演化過程

不同表面張力和初始空化泡內(nèi)外壓差條件下空化泡最大微射流流速、壓力和潰滅時間變化規(guī)律如圖3所示。隨著初始內(nèi)外壓差增大，不同表面張力條件下空化泡潰滅產(chǎn)生的最大微射流流速、最大潰滅壓力均隨之增大，但潰滅時間則隨之減小。初始空化泡內(nèi)外壓差為0.003 8 mu/(lu·tu2)時，當表面張力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2，最大微射流流速增加了55%，最大潰滅壓力增加了74%。初始空化泡內(nèi)外壓差增加到0.010 2 mu/(lu·tu2)時，空化泡潰滅最大微射流流速僅增加了22%，潰滅壓力僅增加了6%，最大微射流流速和最大潰滅壓力增加幅度均隨著空化泡初始內(nèi)外壓差的增加而減小，說明空化泡初始內(nèi)外壓差的增加會減小表面張力對潰滅過程的影響。

圖3不同壓力條件下空化泡潰滅過程中各參數(shù)隨表面張力的變化規(guī)律

而在相同壓力條件下，空化泡潰滅速度、潰滅壓力和潰滅時間均隨著表面張力的增加而增加。根據(jù)Bjerknes力的定義，空化泡潰滅時間隨著表面張力的減小而減小，而時間質(zhì)量變化率則隨之增大，導致Bjerknes力增大，說明較小的表面張力會促使空化泡朝向壁面發(fā)生潰滅。

依托于試驗研究和宏觀數(shù)值模擬方法，研究者們針對表面張力對空化的影響開展了系統(tǒng)性研究。LBM模擬結(jié)果表明表面張力對空化泡潰滅強度具有重要影響，其Bjerknes力隨表面張力減小而增大，但潰滅強度卻隨之減小，模擬結(jié)果定性上與前人試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果一致。摻氣減蝕是有效減小空化空蝕的重要手段，研究表明摻氣濃度將減小流體表面張力，進而減小空蝕強度。