由于云状空化流场的非定常特性最为显著，前文中对α=8°时，云状空穴的生长、脉动、断裂和空泡的脱落过程与机理进行了研究。通过高速摄像的观测以及水动力特性分析，当水翼攻角分别为α=0°和α=5°时，如图5-24所示，动力系数曲线的拐点位于云状空化阶段，此时云状空化工况分别对应于σ=0.40和σ=0.55。攻角对云状空化形态和动力特性有着重要的影响，利用图像灰度处理对空化形态图像进行处理，图5-25分别给出了α=0°和α=5°时，云状空化形态随时间的变化，图中白色区域表示空化区。

图5-24　不同攻角下，云状空化形态随时间的变化（Re=7×105）

（a）α=0°，σ=0.40；（b）α=5°，σ=0.55

图5-25定量给出了空穴面积随时间的波动情况，图中横坐标为无量纲时间（Tcycle为α=8°时，云状空化的发展周期。当α=5°时，云状空化的发展周期约为1.0 Tcycle；当α=0°时，云状空化的发展周期约为0.75 Tcycle），纵坐标为无量纲空穴面积S/Sc（S是空穴面积，Sc是水翼剖面面积）。当α 为0°、5°和8°时，云状空化的时均面积分别为0.49Sc、0.59Sc和0.72Sc；当α=0°时，空穴形态变化波动幅度最小。

图5-25　不同攻角下，云状空化面积形态随时间的变化

图5-26和图5-27进一步给出了α=0°和α=8°时，云状工况下空穴形态的时均及标准差分布情况.从图中可以看出，当α=8°和σ=0.80时，时均空穴区域面积明显较大，空化区域呈现明显的周期性波动，各点灰度值自平均值分散开来的程度较为显著，其标准差值较大；当α=0°和σ=0.40时，空穴形态相对稳定，其变化波动较小，因此其标准差值较小。图5-28给出了当α=0°和σ=0.40时，云状空化流场时均湍流脉动强度和涡量云图。通过比较α=8°时的云状空化流场结构可知，此时空穴的脉动特性及水翼尾缘处的空化湍流旋涡区域远不及α=8°和σ=0.80时显著。

图5-26　不同攻角下，云状空化时均空穴形态（Re=7×105）

（a）α=8°，σ=0.80；（b）α=0°，σ=0.40　　　
LE—前缘；TE—尾缘

图5-27　不同攻角下，云状空化形态的标准差分布（Re=7×105）

（a）α=8°，σ=0.80；（b）α=0°，σ=0.40

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图5-28　云状工况下，水翼吸力面上的时均湍流脉动强度和涡量分布（σ=0.40，α=0°，Re=7×105）

（a）湍流脉动强度；（b）涡量分布

图5-29描述了α=0°和σ=0.4时，实验观察得到的空泡的脱落分离细节。此时，空泡的脱落与典型的空化云脱落（α=8°，σ=0.8）现象存在明显的差异：当α=0°和σ=0.4时，空穴基本覆盖了翼型的整个吸力面，空化流动的非定常性主要体现在小尺度的空化团的脉动和脱落；当α=0°和σ=0.8时，空化流场的非定常特性则体现为大尺度空泡团的整体脱落。图5-30直观地描述了不同攻角下，在云状空化阶段，反向射流的发展、空穴断裂及空泡脱落示意图。近年来，人们开始关注反向射流行为及其对空穴稳定性的影响，Franc认为空穴层与反向射流层的相对厚度是影响空泡脱落的重要因素。为了揭示上述不同工况非定常空泡脱落的机理，图5-31分别给出了α=8°、σ=0.8和α=0°、σ=0.4时，时均空穴形态及反向速度的等值线，从反向射流的等值线可以表征反向射流的厚度。图5-32描述了两种工况下，数值计算得到的反向射流的周期性发展过程。当α=8°和σ=0.8时，空穴层相对于反向射流层较厚，在反向射流向水翼前缘的发展过程中，反向射流与空穴之间的相互作用较弱，可以持续发展到水翼前缘附近，直至切断整个附着型空穴。当α=0°和σ=0.4时，空穴边界层与反向射流层的厚度则比较接近。此时，空穴界面与反向射流边界有在空穴上表面闭合的趋势，空穴与反向射流存在较强的相互作用。在反向射流的发展过程中，反向射流所能到达的最大区域仅为距水翼前缘0.75c位置处，空化流场的非定常特征表现为频繁的小尺度空泡团的脱落现象。由此可见，空穴边界层与反向射流层的相对厚度是影响非定常空泡脱落形式的重要因素。

图5-29　0°攻角下，空泡的脉动与脱落过程（σ=0.40，α=0°，Re=7×105）

（a）0.375Tcycle；（b）0.400Tcycle；（c）0.425Tcycle；（d）0.450Tcycle；（e）0.475Tcycle；（f）0.50 Tcycle
LE—前缘；TE—尾缘

图5-30　不同攻角下，云状空穴断裂及空泡脱落示意图

（a）α=0°；（b）α=8°

图5-31　不同攻角下，时均反向射流层与空穴边界层（Re=7×105）

（a）α=8°，σ=0.80；（b）α=0°，σ=0.40

图5-32　不同攻角下，反向射流随时间的演变过程（Re=7×105）

（a）α=8°，σ=0.80；（b）α=0°，σ=0.40