空化(Cavitation)是一种相变过程,当液体中局部压力低于当前温度下的液体饱和蒸气压时,局部的液体转变为蒸气,形成以蒸气为主的空泡。当外部压力变化时,空泡产生膨胀、收缩、渍灭等行为,空泡的行为变化伴随产生射流、激波等物理现象。随着空泡周围限制域的不同,空泡行为的变化方式也不尽相同,尤其是限制域的几何外形和物理性质决定着空泡的行为。目前对空泡的研究集中在自由域和壁面附近的空泡运动学问题,但对于管道内的空泡行为研究较少,而实际工程中,空泡往往出现在受限域附近,比如液压阀、泵内的空化现象。因此受限域内的空泡行为研究对于空泡动力学认识、空化预防和应用有着重要的意义。为此本文从实验现象出发,通过流场可视化、压力采集、理论分析、数值计算等手段,对不同类型管道内的单空泡和双空泡行为开展了较为系统和深入的研究。对圆形截面的刚性管和弹性管内的空泡进行研究,实验观察到管内的二次空化现象,得到了二次空化与一次空化之间的位置关系和周期关系,基于水锤压力模型定量分析了管道参数对二次空化的影响。分析了含气柱管内的空泡变形过程,基于阶梯压力模型建立了气柱与空泡耦合作用的控制方程,定量分析了气柱数量、位置和空泡位置对溃灭射流的影响规律。对异形管内的空泡行为进行实验和分析,得到了异形管内的空泡运动数学模型,总结了异形管内的二次空化与一次空化之间的规律。通过实验手段观测管道内的双空泡干涉行为,分析了空泡变形和溃灭射流的产生过程,揭示了空泡间距、尺寸和相位对空泡射流和溃灭射流的影响规律,划分了管道内双空泡行为的区域图。论文的主要内容如下:第一章绪论。阐述了本课题的研究背景和重要意义;综述了空泡动力学研究的历史与现状,阐述了目前在受限域内的单空泡和双空泡行为的研究进展;概括了本文的研究内容、实验方法和研究路线。第二章空泡动力学计算方法及实验系统。阐述了球形空泡动力学理论方程,基于Rayleigh-Plesset方程对自由域中的球形空泡进行了数值计算,探讨了表面张力和粘性对空泡变形的影响作用。针对管内的空泡运动,采用阶梯压力模型建立了空泡运动的一维数值计算模型。对管中的空泡变形进行了数值模拟,并研究了空泡位置与溃灭射流之间的关系。阐述了空泡产生的不同方法,并对其进行了优缺点的比较。本文采用安全可靠的低压电火花法产生空泡,并阐述了低压电火花法的实验装置,最后进行了自由域内的空泡行为实验,通过理论数值计算与实验结果进行对比,验证了实验方案的可行性。第三章圆形管内的单空泡行为。通过高速摄影技术和压力采集技术研究了圆形截面管内的空泡行为,包括刚性管、弹性管和含气柱管内的单空泡运动。基于管内空泡一维运动模型对管内的空泡建立了运动控制方程,利用数值计算得到计算结果并与实验结果进行对比。实验观察到管道内空泡溃灭引起的二次空化现象,定量分析了二次空化与一次空化之间的位置关系和周期关系,建立了管内激波能量传递模型。基于水锤压力峰值模型,揭示了管径、管厚和弹性模量等管道参数对空泡溃灭压力的影响,得到了管道参数与二次空化之间的关系。第四章异形管内的单空泡行为。通过高速摄影技术研究了矩形截面管、变径管、弯管和分叉管内的空泡行为。基于管内空泡一维模型分别对上述管内的空泡建立了运动控制方程,利用数值计算方法计算得到上述限制域内的空泡行为演化过程,并与实验结果进行对比,发现数值模型可以准确预测空泡的变形过程和溃灭射流方向。观察统计了上述管内的二次空化现象,得到了异形管内的二次空化与一次空化之间的关系。第五章管道内的双空泡行为。研究了管道内双空泡相互干涉行为,基于空泡间距λ、空泡大小kL、ks和空泡相位差△θ等无量纲参数,将管内的双空泡行为进行分类,划分了空泡变形和溃灭射流的区域图。第六章总结与展望。对论文的研究工作和内容进行了总结和概括,并对未来的进一步工作进行了展望。