空蚀是流体机械及工程中的常见现象,会影响流体机械的运行效率,严重时损坏过流部件。目前对于空蚀机理的认识尚不充分。研究空化的发生及演化过程,探究空蚀机理,有利于减少空蚀带来的危害,也有助于合理利用空化。曲面是过流部件常见的几何形状,深入探究其空蚀机理对于丰富空蚀理论、指导流体机械设计及运行具有重要意义。本文综合采用实验和数值模拟的研究手段,在淹没射流条件下开展金属试样的空蚀研究。将空蚀从平面拓展至曲面试样,采用表面曲率半径分别为7.0 mm、9.0 mm和10.0mm三种试样,探究表面曲率对抗空蚀能力的影响。本文的主要研究工作及结论如下:(1)在符合ASTM G134标准的射流空蚀实验台上,以清水为液体介质,改变靶距、试样材料以及介质温度等工况参数,对空蚀后的平面试样进行表面观测和分析,解释工况参数对空蚀效果的影响。研究发现,靶距对空蚀效果的影响显著,通过对比研究得出实验台的最佳靶距为14.0mm。材料与抗空蚀能力密切相关。在所实验的4种材料中,SUS304表现出最强的抗空蚀能力。随着液体介质温度的升高,材料表面的空蚀变得严重。液体介质温度为45°C时,材料的累积质量损失最大。在空蚀初期,试样表面均存在着空蚀程度较轻的中心区,随着空蚀时间的延长,中心区也出现严重的空蚀。(2)借助射流空蚀实验台,分别对三种表面曲率的试样进行空蚀实验,测量试样空蚀后的质量损失,观测空蚀表面的微观形貌和三维轮廓,计算表面粗糙度,对比分析三种表面曲率试样的空蚀特征,探究表面曲率对空蚀发展的影响。研究发现,试样的表面曲率影响其抗空蚀能力,但表面曲率半径与试样的抗空蚀能力之间不存在单调关系。表面曲率半径为10.0 mm的试样空蚀最为严重。在空蚀初期,试样表面呈现空蚀程度较弱的中心区和环形空蚀区。随着空蚀的发展,中心区和空蚀区之间的界限逐渐消失。在三种表面曲率的试样中,表面曲率半径最小的试样,其表面的空蚀区域直径最大;曲率半径最大的试样,表面粗糙度最大。随着空蚀时间的延长,试样表面的材料呈现逐层剥离的趋势。(3)采用计算流体动力学(CFD)方法对空蚀腔内的流动及被射流冲击的试样附近的流动进行数值模拟。采用与实验装置相同的几何尺寸,保证数值模拟结果和实验结果的可比性。分别通过稳态和非稳态数值模拟研究空蚀腔内射流空化的发生、发展和溃灭过程,将实验结果与流场信息相互补充。研究发现,在空蚀腔内,喷嘴出口处出现环状空化区,而后空化区随着射流发展而迁移至试样表面。射流轴线附近的区域为高速区,其与周围水体之间的相互作用较弱;自射流轴线沿径向向外,流速迅速降低而出现较高的速度梯度,为空化的形成提供了条件。射流与试样表面接触后,试样表面的空蚀区与环形空化相对应。空蚀实验的初期结果与数值模拟结果一致。表面曲率为7.0 mm时,试样表面的空化区域最大,空蚀的风险最高。试样表面的切向速度呈现出明显的对称性。表面曲率为9.0 mm时,相同径向位置的射流切向速度最大,空蚀风险最低,在实验中表现出的抗空蚀能力也最强。