中文摘要：

因涂覆工艺简单、经济且效果明显，非金属表面涂层用于流体机械叶片的耐蚀抗磨已深受人们的青睐，但对于涂层抗蚀机理仍不是十分清楚。本项目拟将多种实验技术与数值模拟相结合，开展具有抗蚀作用的表面涂层对水翼空化性能影响的研究。开发介观高速全流场显示技术和介观片光源流动显示技术，结合图像处理技术获取绕带有不同涂层的Clark-Y型水翼空化流动结构的定量信息，采用体视粒子图像测试技术(SPIV)获取流场关键平面的三维速度、涡量、湍流强度等运动参数的分布及其变化过程；进而通过数值模拟(CFD)分析绕带有不同涂层水翼的空化流场近壁区内的压力分布及变化过程。基于实验与CFD的研究，讨论绕无涂层和不同涂层水翼空化流场的区别，系统地研究抗蚀表面涂层对空泡初生、附着、生长、脱落和溃灭过程以及水动力学特性变化规律的影响，提出表面涂层对绕水翼空化流动影响的机理，从而为表面涂层抗蚀应用提供理论依据。

结论摘要：

长期以来，空蚀严重影响着水泵、水轮机、阀门等过流部件及船舶螺旋桨等的性能与服役寿命。我国发电机组每年由于空蚀造成的发电损失约是三峡电站全年发电量的1.3倍，抗空蚀已经成为急需解决的关键技术问题。空化是空蚀的先决条件，涂层会影响剪切层内的流场，从而影响空化的产生。现阶段涂层主要用于减阻的应用和空蚀实验，并取得了一定的成果，但是对于涂层对空化性能的影响研究非常有限。本文开发设计了介观高速全流场显示技术和介观粒子图像测速，并与动态应变测力技术相结合，先对绕不同粗超度水翼空化的流场结构进行了研究，继而对润湿性涂层水翼空化的流动特性开展了实验研究，基于实验结果，确立了一套分析涂层对空化流动影响的数值计算方法，进一步讨论了涂层对绕水翼的空化流动机理的影响。采用多种实验技术相结合开展了绕不同粗糙度水翼空化的流动结构和不同涂层水翼空化的流动结构、速度场、涡量场及湍动能分布和水翼升力的研究，讨论了粗糙度和涂层对空化发展过程的流动结构、运动特性和动力特性的影响。指出涂层的粗糙度和材质共同影响绕水翼的空化流动结构，涂层材质对绕水翼云状空化的动力特性影响更为明显。研究中，确定了发生初生空化、片状空化和云状空化阶段时的空化数范围，讨论了相同空化数时不同涂层空化的形态和强度的差异；比较了绕不同涂层水翼空化发展过程中各阶段流动的运动特性，明确了不同涂层流场中低速区、涡团区和高湍动能脉动区区域的分布的差异。分析了绕不同涂层水翼空化流动的动力特性，指出了云状空化时，不同涂层水翼升力的主导频率不同，且与流动结构中空化的变化周期相一致。采用多种实验技术和数值模拟方法讨论了涂层对绕水翼空化流动影响的机理。涂层影响吸力面压力递增位置，导致绕不同涂层水翼的片状空化强度和形态不同；涂层影响反向射流强度，低速区和涡量区位置不同，引起绕水翼的旋涡水汽混合区位置存在较大差异。片状空化时，表面光滑的氟碳涂层的空化长度最小，低速区最小且区内速度波动也最弱，但区内的涡量分布更为集中，吸力面压力曲线递增区的位置距水翼头部最近，影响速度场旋涡的位置，而速度场旋涡的位置又维持空化的长度；云状空化时，绕不同涂层水翼的局部低速区位置的各不相同，使透明空泡堆积位置也不同，且局部正涡量区位置的不同导致出现旋涡水汽混合区位置的也不同，在空穴尾部逆压梯度引起反向射流，致使液相的水被带入空穴，随着反向射流的发展空穴形态的不断改变。