3.3.3.1　附着型空穴尾部空泡溃灭及其压力脉冲

图3-27给出了附着型空穴尾部非定常波动以及非均匀溃灭过程中空穴形态的瞬时结构，如图中虚线框区域所示。图3-28给出了与图3-27中空穴形态变化相对应的非定常压力变化，如图3-28中箭头所示，2号传感器测得多个压力脉冲峰值，这与附着型空穴尾部呈现出的非均匀溃灭特点一致，1号、3号和4号传感器也测得多个幅度较小的压力波动，产生时刻晚于2号传感器测得压力脉冲。图3-29给出图3-28中T1+1.2 ms到T1+2 ms之间的压力脉冲的局部放大图。从图中可以看出，4个传感器测点测得的压力脉冲均呈现出非常高频的特征，而且4个传感器测点最先测得压力脉冲的时刻存在明显的先后顺序。因此，认为4个传感器测点测得的这些压力脉冲为2号传感器测点附近空穴非均匀溃灭产生的压力脉冲向四周的传播所致，由于能量耗散，使得1号、3号、4号传感器测点处压力脉冲幅度显著减小。

图3-27　附着型空穴尾部非均匀空穴溃灭过程中空穴形态的瞬时结构（σ=0.75）

图3-28　与图3-27中空穴变化对应的压力脉冲（σ=0.75）

已知相邻传感器之间的距离为3 cm，如图3-28中箭头指示位置，以每个测点最先测得压力脉冲的时刻为基准，从而得到相邻传感器测点测得压力脉冲的时间间隔，因此可以估算出压力脉冲在不同传感器之间的传播速度。图3-29给出了不同传感器之间压力脉冲的传播速度。从图中可以看出，压力脉冲在不同传感器之间的传播速度均小于常温情况下单相水中的声速，而且2号传感器与1号和3号传感器之间的传播速度明显小于3号和4号传感器之间的传播速度。结合图3-27中空穴形态的分布情况可知，附着型空穴覆盖区域的压力脉冲传播速度在100 m/s附近，附着型空穴后部低含气量区域的压力脉冲的传播速度在1 300 m/s附近。因此，说明在附着型空穴覆盖区域，大量存在的空泡降低了压力脉冲的传播速度。

图3-29　压力脉冲的传播速度

3.3.3.2　大尺度脱落型空穴溃灭及其压力脉冲

图3-30给出了大尺度脱落型空穴溃灭过程的空穴结构，为了便于观察空穴结构细节，对图中矩形区域进行放大，空穴溃灭区域如图中椭圆区域所示。由图3-30可知，大尺度脱落型空穴溃灭过程发生在3号传感器附近，随着时间的推移，空穴溃灭所产生的缺口逐渐增大。在该溃灭过程中，大尺度脱落型空穴的整体尺寸并没有发生显著变化，但是其内部含气量发生了明显变化。如图3-31所示，在距离大尺度脱落型空穴溃灭发生位置最近的3号传感器上测得几个大气压量级的压力脉冲，其他3个传感器上也相继测得类似的压力脉冲。为了分析4个传感器上测得压力脉冲之间的关系，首先，对测得的原始压力脉冲信号进行50 kHz的低频滤波处理，去除掉低频成分；然后，对滤波之后的脉冲信号进行频谱分析，得到如图3-32所示的功率谱密度分布。由图3-32可知，在4个传感器的功率谱密度分布曲线上均存在一个268 kHz 左右的峰值，该频率与大尺度脱落型空穴溃灭产生的压力脉冲高度关联。另外，在其他频率位置处也存在较小的峰值，这类脉冲对应于流场中其他空泡溃灭引起的压力脉冲成分。至此，可以合理地认为4个传感器上测得的压力脉冲对应于同一个大尺度脱落性空穴溃灭事件。图3-33给出了压力脉冲的波形放大图，4个传感器上测得的压力脉冲幅度的显著变化与传播过程中的能量耗散有关，这种解释与Dular提到的说法一致，并在相应的文献中提出的空蚀模型中引入了空穴溃灭的距离。4个传感器的压力脉冲波形图如图3-34所示。

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图3-30　大尺度脱落型空穴溃灭过程中的空穴结构（σ=0.75）

图3-31　空穴溃灭引起的压力脉冲

图3-32　压力脉冲的功率谱密度分布（PSD）

图3-33　压力脉冲的局部放大图

图3-34　压力脉冲的波形图

已知相邻传感器之间的距离，通过确定压力脉冲传播至相邻传感器位置处的时间间隔，可以计算出压力脉冲在相邻传感器之间的传播速度（图3-35）。大尺度脱落型空穴溃灭位置处产生的压力脉冲在流场中不同位置处的传播速度存在一定差异，各个位置处的传播速度均小于纯水中的声速。结合图3-30中空穴形态分布可知，在1号和2号传感器之间，对应于附着型空穴覆盖区域，含气量较高，相应的传播速度约为240 m/s；在2号和3号传感器之间，含气量明显减小，相应的传播速度约为600 m/s。在大尺度脱落型空穴区域，传播速度约为410 m/s。由此可知，随着流场中含气量的增加，对应的声速呈现出减小的趋势。

图3-35　压力脉冲的传播速度分布