清华热能系刘树红课题组在空泡-颗粒相互作用研究中取得重要进展

2017年8月25日,清华大学热能系2015级博士生吴晟基,在导师刘树红教授、左志钢助理研究员的指导下,与美国普林斯顿大学Howard A. Stone(霍华德.斯通)教授合作,在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 119, 084501)发表了题为《自由沉降球形颗粒在激光诱发空泡作用下的运动》(Motion of a free-settling spherical particle driven by a laser-induced bubble)的研究论文,首次系统研究了空泡-颗粒的相互作用,发现了颗粒高速喷射现象,并揭示了空泡-颗粒相互作用的流体动力学机理。审稿人评价当前研究为“新的重要研究领域”(an important new area),该成果对于揭示含沙水条件下空蚀破坏急剧恶化的微观机理具有重要价值。

亚洲地区大部分河流含沙量高,此含沙水流经水力机械时,空化引起的空蚀和泥沙磨损是造成机组流动部件破坏的两个主要因素。空化是指液体中由于压力降低造成的汽泡剧烈生长和溃灭的物理过程,其对固体壁面的破坏简称空蚀;而河流中若含沙浓度高于0.4%时便会引起过流部件的泥沙磨损。工程实践表明,相比空蚀、泥沙磨损的单独作用,含沙水空蚀严重加剧了过流部件的破坏,大大降低了机组的安全性与使用寿命,而其可能的联合作用机制与空泡-颗粒相互作用的微观机理密切相关。目前相关研究还不充分,有待进一步的探索与发现。此外,空泡-颗粒相互作用的情形也广泛存在于如超声清洗,肾结石清除等多领域。

图为激光诱发单空泡与PMMA颗粒之间的四种相互作用

其中,(d)为空泡作用下PMMA颗粒高速喷射现象

二年级直博生吴晟基,从大学二年级开始着手此项研究工作,搭建了激光诱发单空泡与自由沉降单颗粒相互作用机理试验台,与其它研究相比对颗粒和空化泡行为的限制和扰动更小,在此基础上首次系统分析了自由沉降颗粒与空泡的相互作用。在试验中,该研究观测分析了空泡-颗粒相互作用下的气、液、固三相接触现象,并捕捉到了空泡诱发颗粒(颗粒粒径 100um~500um)速度高达60m/s喷射现象。经分析,此高速喷射的颗粒足以对常见的钢制材料造成严重破坏,可能成为含沙水空蚀破坏加剧的潜在机理;在理论分析方面,借助热能系流体工程讲席教授团组平台,与美国普林斯顿大学Howard A. Stone教授合作,建立了颗粒-空泡相互作用物理模型,归纳了空泡-颗粒相互作用的影响因素,揭示了颗粒被喷射的最大速度的产生机理,该研究成果对理解空泡-颗粒相互作用的物理本质,解释水力机械含沙水条件下空蚀破坏急剧恶化的微观机理具有重要价值。

图为Howard A. Stone教授(左三)与刘树红课题组成员合影

左一为左志钢助理研究员,左二为刘树红教授,右一为吴晟基同学

此项研究的顺利完成,得益于清华大学热能工程系流体工程讲席教授团组的大力支持和帮助。该讲席教授团组成立于2012年,第一期由罗忠敬教授担任首席,林寿海教授、Howard A. Stone(霍华德.斯通)教授等国际顶级的流体力学专家为讲席教授;同时,该研究还获得了国家自然科学基金及水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金支持。

论文第一作者为热能工程系2015级博士生吴晟基,论文通讯作者为导师刘树红教授。刘树红课题组主要致力于空化机理、空泡动力学、心脏泵及航天航空流体机械等研究。

原文链接: 

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.084501

(供稿:流体机械与工程研究所  编辑:董佳丽  核发:史翊翔) 

 

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