具有脈動(dòng)特性的氣泡（如水下爆炸氣泡、螺旋槳空泡和氣槍氣泡）動(dòng)力學(xué)行為很大程度上取決于其邊界條件.實(shí)驗(yàn)已證實(shí),近自由液面氣泡在坍塌過(guò)程中常常產(chǎn)生背離自由液面的水射流現(xiàn)象,而近剛性邊界氣泡在坍塌階段產(chǎn)生朝向壁面的高速水射流,嚴(yán)重威脅水中結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度.前人基于Rayleigh-Plesset氣泡理論和"Bjerknes"力來(lái)預(yù)測(cè)氣泡射流方向,然而理論方法難以透徹的揭示氣泡射流的初生、發(fā)展和砰擊過(guò)程中豐富的力學(xué)機(jī)理.本文首先采用水下高壓放電技術(shù)產(chǎn)生氣泡,并通過(guò)高速攝影對(duì)不同邊界條件下氣泡的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.然后,采用邊界積分法模擬氣泡非球狀坍塌過(guò)程.研究表明,邊界條件改變了氣泡周?chē)牧鲌?chǎng)壓力梯度方向,進(jìn)而影響氣泡射流初生位置;射流在發(fā)展階段,氣泡附近流場(chǎng)的局部高壓區(qū)和射流之間存在"正反饋效應(yīng)",從而揭示了氣泡射流速度在短時(shí)間內(nèi)即可增加到百米每秒的力學(xué)機(jī)理.射流砰擊會(huì)在流場(chǎng)中造成局部高壓區(qū),隨著氣泡回彈,射流速度和砰擊壓力逐漸減小.本文還探討了無(wú)量綱距離參數(shù)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)及射流砰擊載荷的影響,旨為近場(chǎng)水下爆炸等相關(guān)領(lǐng)域提供參考. 

【文章來(lái)源】：力學(xué)學(xué)報(bào). 2019,51(06)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：16 頁(yè)

【部分圖文】：

氣泡與(a)自由液面或(b)剛性壁面耦合作用示意圖及柱坐標(biāo)系的定義

如圖2所示為典型的氣泡在自由液面附近的射流現(xiàn)象[32]，針對(duì)該工況采用BIM對(duì)氣泡與自由液面耦合作用進(jìn)行模擬，圖3(a)中給出了射流砰擊前瞬間的氣泡形態(tài)，該工況中氣泡射流頭部較平整，射流砰擊并不是發(fā)生在中心軸線上，而是在一個(gè)環(huán)線上，圖中第M1個(gè)節(jié)點(diǎn)和第M2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最先發(fā)生碰撞，常規(guī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處理方法并不適用于該工況.觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(圖2)，氣泡射流后在其底部產(chǎn)生了一些“射流砰擊殘留物”，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，圖3(a)中的節(jié)點(diǎn)1～M1以及節(jié)點(diǎn)M2～N所包圍的一小部分氣體即是實(shí)驗(yàn)中的殘留物.由于殘留物相對(duì)氣泡整體的體積較小，因此在數(shù)值計(jì)算中直接將該部分節(jié)點(diǎn)和單元?jiǎng)h除，然后形成新的環(huán)狀氣泡節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，如圖3(b)和圖3(c)所示.如此，數(shù)值計(jì)算結(jié)果將與真實(shí)的物理過(guò)程更加貼近，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合更好，如圖3(d)所示.這種工況中，氣泡射流砰擊實(shí)際上可以看作是氣泡發(fā)生了撕裂現(xiàn)象[54]，射流前的單連通氣泡演變成一個(gè)環(huán)狀氣泡與另一個(gè)單連通氣泡(砰擊殘留物)，由于后者的體積遠(yuǎn)小于前者，且兩者的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，所以后期的數(shù)值模擬中可忽略后者對(duì)前者的影響，繼續(xù)模擬環(huán)狀氣泡的運(yùn)動(dòng).圖3 平頭射流砰擊工況中環(huán)狀氣泡階段計(jì)算預(yù)處理

圖2 自由液面附近氣泡射流現(xiàn)象以及環(huán)狀氣泡典型形態(tài)(圖片來(lái)自文獻(xiàn)[32])當(dāng)處理完氣泡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，保持氣泡表面速度勢(shì)不變，則射流砰擊位置出現(xiàn)速度勢(shì)突跳.按照經(jīng)典渦環(huán)模型處理辦法，在氣泡內(nèi)部布置一個(gè)環(huán)量為Γ的渦環(huán)，其位置用(rv,zv)表示.本文的研究中，對(duì)于環(huán)接觸砰擊情況，假設(shè)接觸點(diǎn)編號(hào)分別為M1和M2，則環(huán)量Γ的取值方法[53]為

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3249943