基于粒子图像测速与数值模拟的狭缝射流流入主流通道的流动特性及空化机理研究

《Fluids》：Pressure Fluctuation and Cavitation Generation Downstream of a Jet in Crossflow Hiroyuki Kogawa, Yoshiki Maeda, Masatoshi Futakawa and Yanrong Li

　　

研究人员采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）与计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）相结合的方法，对狭缝射流垂直注入主流通道形成的射流流入主流（Jet In Cross Flow, JICF）流动特性进行了实验与数值研究。通过改变狭缝宽度 ds（2 mm、4 mm、6 mm、8 mm）、射流速度 Uj（0.3~10 m/s）及射流宽度 dj（0.5~6.0 mm），分析了水与汞两种工质在不同雷诺数（Re=70,000~570,000）下的流动结构演化规律。实验观测到当 ds=6 mm 时，上游狭缝内出现主流回流现象，导致射流宽度收缩；数值模拟验证了该现象与狭缝内流动分离引起的压降直接相关。研究人员进一步评估了最低压力出现位置的压力脉动特征，发现汞工质的压力降幅约为水的13.5倍，并通过瑞利-普莱斯特方程（Rayleigh–Plesset Equation）分析了空化发生的临界条件，结果表明除 dj=0.5 mm 外，空化数 σ≤0，存在空化风险。研究揭示了狭缝射流诱导的压力波动与空化机理，为液金属靶工程中的材料损伤防护提供了理论依据。

研究背景与意义

在加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Subcritical System, ADS）等核能装置中，液态金属靶需承受高能质子束冲击，其内部的狭缝射流结构易诱发复杂流动与空化现象，进而导致壁面材料空蚀损伤。现有研究对狭缝射流在主流通道内的瞬态流动特性及空化机理认识不足，尤其缺乏针对汞等液金属的系统性实验与模拟验证。为此，研究人员以《Fluids》期刊为平台，通过实验与数值结合的方法，揭示狭缝射流诱导的压力脉动与空化机制，为工程抗空蚀设计提供数据支撑。

关键技术方法

研究采用粒子图像测速（PIV）技术获取主流通道内速度场分布，结合开源CFD软件PimpleFoam进行三维瞬态模拟。实验以水为工质，设置狭缝宽度 d_s=2~8 mm，流量 Q_w=150~250 L/min；数值模拟覆盖水与汞两种工质，射流速度 U_j=0.3~10 m/s，射流宽度 d_j=0.5~6.0 mm。网格独立性验证表明，约135,000单元的计算网格可平衡精度与效率。压力脉动分析选取最低压力点（x=1.75 mm, y=62 mm），通过瑞利-普莱斯特方程计算空化数 σ 以评估空化风险。

研究结果

3.3 分析系统与条件

数值模型与图2一致，射流垂直注入主流。入口为固定速度边界，出口压力设为10⁵Pa，壁面采用无滑移条件。网格敏感性分析显示，网格数从80,000增至135,000时，压力误差由30%降至7%，最终采用135,000网格进行计算。

4.1 粒子图像测速（PIV）测量结果

图3a–c展示了 d_s=2 mm、Q_w=250 L/min 时观测位（A）–（C）的速度场与流线。主流速度约0.85 m/s，射流向下游弯曲并形成JICF结构，下游区域（图3b,c）出现大尺度涡旋。当 Q_w降至150 L/min（图4a），射流形态仍相似；但当 d_s=6 mm（图4b），狭缝上游出现主流回流，源于狭缝内高速流分离导致的压降。

4.2 流场模拟结果

图5a–c对应图3的实验条件（d_j=2 mm, U_j=1.5 m/s），模拟成功复现了射流弯曲、主流下推及壁面涡旋结构。图6（U_j=1.02 m/s, d_j=2 mm）与图4a吻合良好；图7（U_j=0.34 m/s, d_j=6 mm）则未能复现回流导致的射流收缩。定量分析显示，d_s≤2 mm时均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）为0.164，而 d_s=4、6、8 mm时分别增至0.212、0.273、0.203，证实大宽度狭缝下模拟精度下降。

5 讨论——压力脉动与空化

图9a,b显示了水工质最低压力时刻（t=14 ms）的速度与压力分布，最低压力点位于狭缝下游（x=1.75 mm, y=62 mm）。图10的压力时程表明，射流开始后压力骤降并于14 ms达最低值，随后回升稳定。汞工质因密度是水的13.5倍，压力降幅同步增大（图11），但脉动趋势相似。空化数计算（式6）表明，除 d_j=0.5 mm 外，σ≤0，存在空化风险。瑞利-普莱斯特方程（式7）进一步证实压力波动可驱动空泡生长与溃灭，引发局部冲击损伤。

结论

本研究通过PIV实验与CFD模拟，系统揭示了狭缝射流在主流通道内的流动特性与空化机理。研究发现：1）狭缝宽度 d_s≤2 mm时，数值模拟与实验结果吻合良好；2）d_s≥4 mm时，狭缝内回流导致射流收缩，现有模型难以准确预测；3）汞工质的压力脉动幅值显著高于水，空化风险更大。研究成果为液态金属靶的流动设计与抗空蚀优化提供了重要的理论与数据基础。