具有脈動特性的氣泡（如水下爆炸氣泡、螺旋槳空泡和氣槍氣泡）動力學(xué)行為很大程度上取決于其邊界條件.實驗已證實,近自由液面氣泡在坍塌過程中常常產(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)的局部強度.前人基于Rayleigh-Plesset氣泡理論和"Bjerknes"力來預(yù)測氣泡射流方向,然而理論方法難以透徹的揭示氣泡射流的初生、發(fā)展和砰擊過程中豐富的力學(xué)機理.本文首先采用水下高壓放電技術(shù)產(chǎn)生氣泡,并通過高速攝影對不同邊界條件下氣泡的運動特性進(jìn)行實驗研究.然后,采用邊界積分法模擬氣泡非球狀坍塌過程.研究表明,邊界條件改變了氣泡周圍的流場壓力梯度方向,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間內(nèi)即可增加到百米每秒的力學(xué)機理.射流砰擊會在流場中造成局部高壓區(qū),隨著氣泡回彈,射流速度和砰擊壓力逐漸減小.本文還探討了無量綱距離參數(shù)對氣泡運動及射流砰擊載荷的影響,旨為近場水下爆炸等相關(guān)領(lǐng)域提供參考. 

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

【文章頁數(shù)】：16 頁

【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]，針對該工況采用BIM對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，而是在一個環(huán)線上，圖中第M1個節(jié)點和第M2個節(jié)點之間最先發(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.觀察實驗現(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)合實驗現(xiàn)象和數(shù)值計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，圖3(a)中的節(jié)點1～M1以及節(jié)點M2～N所包圍的一小部分氣體即是實驗中的殘留物.由于殘留物相對氣泡整體的體積較小，因此在數(shù)值計算中直接將該部分節(jié)點和單元刪除，然后形成新的環(huán)狀氣泡節(jié)點系統(tǒng)，如圖3(b)和圖3(c)所示.如此，數(shù)值計算結(jié)果將與真實的物理過程更加貼近，計算結(jié)果與實驗吻合更好，如圖3(d)所示.這種工況中，氣泡射流砰擊實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環(huán)狀氣泡與另一個單連通氣泡(砰擊殘留物)，由于后者的體積遠(yuǎn)小于前者，且兩者的距離越來越遠(yuǎn)，所以后期的數(shù)值模擬中可忽略后者對前者的影響，繼續(xù)模擬環(huán)狀氣泡的運動.圖3 平頭射流砰擊工況中環(huán)狀氣泡階段計算預(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不變，則射流砰擊位置出現(xiàn)速度勢突跳.按照經(jīng)典渦環(huán)模型處理辦法，在氣泡內(nèi)部布置一個環(huán)量為Γ的渦環(huán)，其位置用(rv,zv)表示.本文的研究中，對于環(huán)接觸砰擊情況，假設(shè)接觸點編號分別為M1和M2，則環(huán)量Γ的取值方法[53]為

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]空化水動力學(xué)非定常特性研究進(jìn)展及展望[J]. 季斌,程懷玉,黃彪,羅先武,彭曉星,龍新平.  力學(xué)進(jìn)展. 2019(00)
[2]單液滴內(nèi)空化氣泡的生長及潰滅研究[J]. 呂明,寧智,孫春華.  力學(xué)學(xué)報. 2016(04)
[3]爆炸氣泡與自由水面相互作用動力學(xué)研究[J]. 王樹山,李梅,馬峰.  物理學(xué)報. 2014(19)
[4]氣泡多周期運動時引起的流場壓力與速度[J]. 李帥,張阿漫,韓蕊.  力學(xué)學(xué)報. 2014(04)
[5]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(xué)學(xué)報. 2011(01)



本文編號：3249943