通過電火花氣泡裝置和高速攝像設備對氣泡與附近剛性/柔性邊界間的耦合現(xiàn)象進行實驗觀測和研究。針對不同材質(zhì)平板和不同距離參數(shù)下氣泡脈動實驗數(shù)據(jù)進行整理,對氣泡動力學特性如撕裂現(xiàn)象、射流方向特性及氣泡遷移特性等進行機理分析;并借助MATLAB開發(fā)圖片數(shù)字化識別程序,分析總結了整個氣泡脈動載荷下柔性板的整體運動響應模式和結構中心測點的響應特征。實驗結果表明:氣泡在柔性板附近收縮時出現(xiàn)"棒槌"狀或氣泡撕裂及遠離對向射流現(xiàn)象;探究氣泡載荷下柔性結構響應模式,發(fā)現(xiàn)氣泡膨脹時柔性板呈一階響應,收縮時呈現(xiàn)三階響應及雙峰值遷移現(xiàn)象。 

【文章來源】：振動與沖擊. 2020,39(07)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

實驗設備布置圖

圖5為不同距離參數(shù)下1 mm PVC板中氣泡正上方測點位移隨時間變化圖。測點位移量主要通過基于MATLAB開發(fā)的攝像圖形數(shù)字化識別程序測量得到,詳細過程將在2.2節(jié)中給出。由圖可知,隨著氣泡的收縮,在向外運動流場的作用下板向上運動,在氣泡最大體積時達到最大幅值;氣泡收縮時,結構受到氣泡的吸引向下運動,反彈階段時位移達到最小幅值。隨著距離參數(shù)的增大,測點運動幅值減小。當距離參數(shù)較小時如γs=0.65時,結構響應的兩個極值大小相近,結構出現(xiàn)近似等幅值的耦合運動。當γs=1.38時,結構響應幅值明顯降低。由圖可知:氣泡僅在第一個周期內(nèi)對板的變形及波動影響顯著,此后隨著氣泡的撕裂板逐漸回到初始位置。PVC板附近氣泡脈動時其形態(tài)變化的特征可以表述為:氣泡膨脹過程中流場壓力的變化使PVC板儲存彈性能,在氣泡收縮階段PVC板將釋放這部分能量,從而對氣泡動力學特性產(chǎn)生影響,這一過程體現(xiàn)了氣泡脈動與結構響應的耦合特性。鋼板附近的氣泡形成向上的射流;對于3 mm PVC板觀察到氣泡上下兩側(cè)出現(xiàn)明顯的尾跡并呈現(xiàn)“棒槌”狀。對于1 mm PVC板附近的氣泡脈動與3 mm PVC板相比,氣泡的形態(tài)更加復雜,均出現(xiàn)氣泡撕裂和復雜射流的情況。原因可能在于1 mm 板的變形較大,氣泡收縮階段,板的回彈改變了氣泡附近的壓力場,形成收縮時的對向射流,最終導致氣泡的撕裂。氣泡撕裂后形成兩個大小相近的同相位脈動氣泡,并且兩個氣泡之間出現(xiàn)遠離對向的射流。該現(xiàn)象僅在第一個氣泡脈動周期內(nèi)較為明顯。由此可知:當考慮氣泡與柔性結構耦合運動時,實驗觀察到復雜的射流現(xiàn)象、氣泡撕裂現(xiàn)象和結構的耦合響應。表明當計算變形結構附近氣泡脈動時需采用耦合模型,這和文獻[20]的結論相符。

圖7顯示了γs=1.38時1 mm PVC板隨著氣泡演化的整體位移響應情況。橫坐標為測點距中心點的距離,板產(chǎn)生的波動沿x方向幾乎對稱分布。t=1.16 ms時氣泡達到最大體積,由圖可知此時平板中心點處達到正向最大位移,周圍測點同時向上運動,平板呈現(xiàn)一階鞭狀響應模式。t=1.55 ms時隨著氣泡的收縮,板進入回彈階段開始向下運動,t=1.94 ms時,由于中部區(qū)域位移變化較快,鄰近區(qū)域相對滯后,從而呈現(xiàn)出兩個對稱的雙波峰狀態(tài),平板呈現(xiàn)三階響應模式。t=2.13 ms時,峰值位置向兩側(cè)擴展且幅值逐漸減小,表明雙峰值變化過程類似于向板兩側(cè)傳遞的且衰減的波。t=2.33 ms時除峰值外,板的其余測點均整體向下運動,中心處仍是反向最大位移,且雙峰值持續(xù)向兩側(cè)傳遞。圖8顯示了γs=0.65時1 mm PVC板整體位移變化情況。板的整體運動模式與圖7相近,就不再進行贅述。由圖可知, t=1.07 ms時氣泡達到正向最大位移,此時中心點的最大位移值為0.64 mm要明顯大于圖8的最大位移0.45 mm,因為隨著距離參數(shù)的減小,氣泡載荷作用下板的運動就越劇烈。t=1.55 ms時板整體向下運動,同時x=-15 mm和11.54 mm處均形成雙峰波。t=2.33 ms時中心達到反向最大位移,遠離中部區(qū)域的兩側(cè)部分則向上運動,同時峰值依波的形式向端波傳遞。t=2.81 ms時板進入回彈階段,可見中心處向上運動,而靠近端點處的測點繼續(xù)向下運動,仍可見位移雙峰值現(xiàn)象。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]近場水下爆炸氣泡射流載荷沖擊船體外板的動響應分析[J]. 姜忠濤,李燁,龐學佳,王詩平.  振動與沖擊. 2018(09)
[2]水下爆炸氣泡與浮體結構相互作用的研究[J]. 王加夏,宗智,周力,姜明佐.  振動與沖擊. 2016(12)
[3]圓形舭部附近氣泡與自由面非線性耦合研究[J]. 田昭麗,劉云龍,高利峰.  振動與沖擊. 2016(06)
[4]減壓條件下近自由面氣泡運動與水�，F(xiàn)象實驗研究[J]. 崔杰,崔璞,周塞北,姚熊亮.  振動與沖擊. 2015(19)
[5]不同沙粒底面下氣泡脈動特性實驗研究[J]. 張阿漫,肖巍,王詩平,程瀟歐.  物理學報. 2013(01)
[6]艙段結構在氣泡射流作用下的毀傷效果[J]. 崔杰,張阿漫,郭君,李世銘,黃超.  爆炸與沖擊. 2012(04)
[7]水中爆炸氣泡與水底邊界相互作用的水射流現(xiàn)象[J]. 汪斌,張遠平,王彥平.  爆炸與沖擊. 2011(03)
[8]不同環(huán)境下氣泡脈動特性實驗研究[J]. 張阿漫,王詩平,白兆宏,黃超.  力學學報. 2011(01)
[9]水下爆炸氣泡脈動特性的試驗研究[J]. 朱錫,牟金磊,洪江波,黃曉明,李海濤.  哈爾濱工程大學學報. 2007(04)



本文編號：3216458