近日收到 Physics of Fluids 編輯部的好消息，劉亢碩士為第一作者，小二為通訊作者的論文 Tip vortex cavitation suppression and parametric study of an elliptical hydrofoil by water injection 正式在線發表（DOI：https://doi.org/10.1063/5.0130192，可點擊文末閱讀原文查看）。

本研究面向水翼/螺旋槳梢渦空化抑制的實際工程需求，聚焦于共性技術和基礎原理探索，為我們與海軍工程大學合作完成。

論文以 NACA0012型橢圓水翼為研究對象，對全濕流和空化流工況下的水翼梢渦流場進行了研究，并重點分析了主動射流位置、角度及速度對橢圓水翼升阻力系數、梢渦流場演化以及梢渦空泡結構所產生的影響。

▲ 橢圓水翼幾何及射流開口位置

什么是梢渦空化？

空化，是局部區域內流體壓力低于飽和蒸汽壓時，液體由液相向氣相轉變的過程。根據結構不同，空化可分為游移空化、片空化、云空化、渦空化和超空化等。

梢渦空化（Tip Vortex Cavitation, TVC），是渦空化的一種，該空化現象常見于螺旋槳、橢圓水翼等易產生梢渦的設備之上。

▲ 試驗時水翼梢渦空泡結構

主動射流什么鬼？

主動射流是流動控制方法的一種，該方法的主要思路是將質量以及動量引入流場來干擾流動，通常是向空化區域附近流場噴射水、空氣、難溶氣體或其他抑制空化產生的聚合物等來改善其流動條件從而達到控制空化的目的。

該方法可通過在螺旋槳等設備內部布設流道并在表面開設射流孔，從而實現向局部流場內噴射高速流體進而實現空化抑制效果。

▲ 螺旋槳中布置的主動射流流道

經試驗驗證，主動射流可以有效降低梢渦空化的發展長度。但是，其內部的流動機理和作用機制還不甚清晰，因此進行主動射流對水翼梢渦及其空化抑制作用的模擬工作，探究主動射流對空泡抑制作用的機理具有非常重要的理論和實際意義。

主要結論

本文通過在NACA0012型橢圓水翼葉梢中心線（垂向射流）及偏吸力面位置（側向射流）開設射流孔，探究了主動射流對水翼梢渦空化的影響，同時分析了射流角度及射流速度對結果的影響。

• 射流對水翼梢渦空化的影響

▲ 三種工況下空泡形態對比：(a) 無射流；(b) 垂向射流；(c) 側向射流

結果顯示，主動射流對梢渦空泡的抑制效果極好，在不進行開孔射流時，水翼梢渦的空泡體積為1.75e-7 m^3，在側向射流工況下，空泡體積降低為0.58e-7 m^3，其抑制率可達到67%；垂向射流的效果較低，但仍可達到39%。

• 射流對梢渦流場的影響

▲ 三種工況下梢渦流場對比：(a) 無射流；(b) 垂向射流；(c) 側向射流

觀察云圖中的梢渦結構和流線變化趨勢可發現，射流對梢渦流場的作用機制可分為兩種方式：

• 側向射流工況下，流體可直接作用在水翼梢渦的核心區域，高速流體導致水翼梢渦結構變形嚴重，使得渦核區域內流動的無序性增加，梢渦的定向旋轉強度降低，從而抑制梢渦空化的發生；

• 而垂向射流流體的混入，則是通過有效改變梢渦入射流的方向，降低水翼梢渦的旋轉強度，從而削弱渦核處的壓降。

下圖是三種工況下的梢渦流場的云圖演化。

▲ 三種工況下梢渦演化對比：(a) 無射流；(b) 垂向射流；(c) 側向射流

• 不同的射流角度和速度又會產生什么影響呢？

▲ 射流速度及角度示意圖

定義沿水翼展向方向的射流角度為0度，沿水翼法向方向的射流角度為90度，從0-90deg，將主動射流角度劃分為7個等級；同時，定義計算域來流速度(6m/s)為標準，從0至2，將射流速度劃分為5個射流等級，探究NACA0012型橢圓水翼梢渦空泡隨射流速度及角度的變化趨勢。

▲ 不同射流速度下的梢渦空泡形態：(a) Vj = 0 m/s, (b) Vj = 3 m/s, (c) Vj = 6 m/s, (d) Vj = 9 m/s, and (e) Vj = 12 m/s

▲ 不同射流速度下水翼梢渦空泡體積及其空泡抑制率

結果顯示，一定程度地增加射流速度可有效增加主動射流的梢渦空泡抑制效果，但如果過大地增加射流速度反而可能適得其反。

▲ 不同射流角度下的梢渦空泡形態：(a) 無射流, (b) αj = 0°, (c) αj = 15°, (d) αj = 30°, (e) αj = 45°, (f) αj = 60°, (g) αj = 75°, and (h) αj = 90°

▲ 不同射流角度下水翼梢渦空泡體積及其空泡抑制率

結果顯示，隨著射流角度的增加，主動射流對梢渦空泡的抑制效果逐漸增加，在側向射流工況下，沿水翼法向射流對梢渦空泡的抑制效果最好。

帥  評

劉亢同學作為一名碩士研究生，能夠以第一作者在PoF發表論文是非常難能可貴的，其中也是經歷了一些波折，幸運的是，我們都沒有放棄。作為他學習、科研、寫作、投稿、修改全過程的見證者，我也有一些個人感悟，希望后面有機會分享給各位朋友們。See you next time~

文章來源：shipCFD