2.3.3.1　超空化的空穴形成阶段

超空化流场则随空化数的不同表现出较为明显的流动形态特征差异。如图2-28所示，当空化数σ=0.74时可以看出，虽然空化已比较稳定地覆盖了水翼吸力面，但是空穴内部的水汽混合物处于持续不断的运动状态。在空穴尾部，前缘涡和后缘涡的交替脱落使得空化轮廓的上下界面不断发生小范围的波动，界面上的凹、凸之处即为前后缘涡不断脱落、推进所形成的交界面，导致了界面的不光滑。当前、后缘空化涡到达闭合区尾部相互作用后，便形成了准周期性的空化脱落，而且这种脱落仍是以后缘涡为主导。根据表2-2的统计数据可知，空穴尾部空化涡的平均脱落频率约为73.83 Hz。

图2-28　超空化空穴形成阶段的流场图像（σ=0.74，α=15°）

表2-2　空穴闭合区后空化涡脱落的周期统计

2.3.3.2　超空化的两相共存阶段

空化数降低到σ=0.54时，水翼后部的超空化已发展得非常充分，空化长度已达多倍弦长，上、下自由界面已拉直，但是仍受水翼前后缘脱落涡的影响而略有起伏。由于重力的作用，密度较大的水-汽混合相集中于空化区下部，空化区的下界面仍由于水-汽混合相的反射而与主流区界限分明，而且随着空穴的向后延伸逐渐向上抬起。密度较小的水-蒸汽“飘”向空化区上部，使得上边界仅表现为一条暗黑色的流线，其内部的汽化区与流场背景一致，而且汽化区一直沿上流线延伸至空化区的尾部。这一阶段的明显特征是：从水翼吸力面前缘开始，出现一片透明的空化区，说明此区域内充满了汽相；后部大部分是混合较为均匀的水-汽混合区。汽相和水-汽混合相之间形成了清晰的分界面，图2-29中所标出的直线即为汽相区和水-汽混合区分界面所在位置。从距水翼后缘约70%c处的下游，两相区首先出现较为明显的断面反向推进（汽化区后部的浅白色界面），表现为白色区域的增加，直至水翼后缘；然后汽相区开始向后扩张，如此反复。也就是说，在水-汽两相共存阶段，空化区域内纯汽相区与两相区的界面进行着周期性的沿主流流动方向的振荡变化，表明在空化区域内部存在着强烈的水-汽质量交换。图2-30给出了此时水-汽混合区反向推进界面距水翼后缘水平距离随时间的变化曲线，经线性拟合后得到所示直线，可知界面的反向推进速度为1.83 m/s，即小于来流速度的20%。

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图2-29　超空化水-汽两相共存阶段的流场图像（σ=0.54，α=15°）

（a）原始图像；（b）示意图

图2-30　水-汽交界面的位置变化（σ=0.54，α=15°）

2.3.3.3　超空化的完全发展阶段

空化数降低到σ=0.48后，空化区形成稳定的界面，汽相基本充满了整个空化区域，只是在其中后部仍有部分水-汽混合相，呈狭窄的连续带状分布，此时的超空化已处于“相对稳定状态”，这个最终阶段称为超空化的完全发展阶段。图2-31给出了攻角α=15°时采集频率为30 f/s、3 000 f/s、500 f/s（f/s即为帧/s）的一组图像及其对应的轮廓示意图。可以看出，不同采集频率下的流场结构基本相同。在紧贴下流线的空化区内部，大部分也已达到汽化状态，水-汽混合区多集中于中下部自吸力面开始至终端的一条较为狭长的带状区域，并在一定范围内上、下波动。

图2-31　超空化完全发展阶段的流场图像（σ=0.48，α=15°）

（a）采集图；（b）示意图