基于边界元法的近平板圆孔气泡动力学行为研究

研究了带有圆孔的平板附近气泡动力学特性. 基于不可压缩势流理论, 建立了平板圆形破口附近气泡运动数值模型, 并针对气泡初始位置距离破口很近而导致计算结果发散的数值缺陷, 采用气泡壁和壁面融合的方法, 将流场分离为两个半无限域问题进行求解, 实现了在不同无量纲参数范围内的数值模拟, 数值结果与实验结果符合良好. 通过对圆孔附近气泡运动特性的研究发现, 圆孔对气泡的影响基本与壁面相反, 在膨胀阶段对气泡产生腔吸作用, 收缩阶段产生排斥, 在特定的工况下会产生对射流现象. 最后分析了气泡壁与壁面融合, 流场分离后的气泡动态特性以及各工况参数对其影响规律. 关键词： 气泡 边界元 射流 圆孔     

距离参数对浅水中气泡运动影响规律的实验和数值模拟

当爆炸气泡在浅水中运动时,同时受到自由面和水底壁面的作用而产生极其复杂的水面现象,气泡的运动特性与在自由场中或单一边界附近处爆炸相比会发生很大变化。为探究其规律,通过电火花诱导气泡实验,利用高速摄影技术对气泡与组合多边界的相互作用进行了研究,总结了自由面距离(γ_f)和壁面距离(γ_w)对气泡运动和水冢类型的影响。并用OpenFOAM进行了数值模拟,分析了距离参数对射流载荷的影响。结果表明:自由面距离参数较壁面距离参数对水冢类型影响更大;射流速度随自由面距离的增大而减小,在0γ_w2时,射流速度随壁面距离的增大先减小后增大;壁面压力与距离呈负相关,射流冲击面积与距离呈正相关。     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

近壁面气泡运动特性的数值计算

采用体积加速度模型确定水下爆炸气泡运动的初始条件,基于MSC.DYTRAN有限元软件开发了定义流场初始条件和边界条件的子程序,对气泡在水平刚性壁面附近的运动特性进行了数值模拟,通过对比发现数值计算结果与实验结果具有较好的一致性,证明了初始条件定义、子程序开发和有限元模型建立的正确性和数值计算的准确性。以此为基础,研究了水深、泡心与刚性底面之间的距离对气泡动态特性和射流速度的影响,通过数值计算得到了一些有规律的曲线。计算模型、方法及结果对相关的工程研究和计算具有一定的参考价值。     

上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究

本文针对毫米量级的上浮气泡在壁面处的弹跳现象进行数值研究.基于势流方法求解气泡的运动,同时考虑气泡的表面张力作用.在伯努利方程中,对气泡与壁面之间水膜中因黏性引起的压力梯度进行修正,开发相应的计算程序,计算值与实验值符合良好.从气泡弹跳的基本现象入手,研究了特征参数对气泡弹跳过程的动态特性以及最终平衡形态的影响.发现随着泡在撞击壁面之前上浮距离增大,气泡回弹距离和弹跳周期增加,但是当上浮距离增加到一定程度后将不会影响气泡的弹跳特性;表面张力是影响气泡弹跳特性的重要因素,气泡的弹跳周期随其增大逐渐减小,但回弹距离却呈现先增后减的规律;最后,影响气泡最终平衡形态的主要因素是气泡的浮力参数与韦伯数.     

气泡与自由液面相互作用的实验研究

气泡在不同边界附近运动时,其运动特性与在自由场中相比会发生很大变化,特别是当气泡在近自由面附近运动时, 与自由面发生强烈的耦合作用而产生极其复杂的水面现象.为探究其规律,在前人研究的基础上, 采用电火花生成气泡,利用高速摄影系统对气泡与自由液面的相互作用进行了实验观察和研究. 通过对大量实验数据的分析和整理,总结了自由液面的存在对气泡最大半径、脉动周期、射流时间以及射流宽度的影响, 并初步拟合了放电电压与气泡最大半径的关系.对不同水冢现象的具体过程进行了分类和详细的描述, 得出了发生不同水冢现象的决定因素,同时统计得到相同初始条件下水柱最大高度随无量纲距离的变化规律, 为气泡与自由液面相互作用的研究提供了参考.     

非球形水下爆炸气泡坍塌机制

 为研究非球形水下爆炸气泡的坍塌机制和射流特性,采用水下爆炸实验和数值模拟相结合的手段,研究了典型的柱形装药自由场水下爆炸气泡的运动过程。实验结果与数值模拟结果符合较好,通过对比发现,非球形水下爆炸气泡坍塌所形成的射流与球形气泡坍塌射流的行为存在差异。研究结果表明：非球形气泡的坍塌过程与气泡初始形态的局部曲率半径有关,初始气泡表面曲率半径大的区域的初始膨胀速度较曲率半径小的区域的小,坍塌时刻也较早,导致气泡产生非球形坍塌。     

港池环境近水面水下爆炸特性及其毁伤效应

为研究港池环境近水面水下爆炸载荷及其对码头结构的损伤特性,设计了一种典型码头结构,并构建港池环境,运用LS-DYNA程序开展水下爆炸数值模拟研究,对爆炸现象、荷载特性、结构动态响应和能量吸收特性4个方面进行了详细研究,分析了边界、比例爆距等参数的影响规律。结果表明:爆炸气泡脉动主要受到码头结构边界和水面的影响,水底和有限港池内的流体运动对其亦有一定影响;冲击波荷载以比例爆深为中心呈垂向对称分布,气泡脉动荷载主要分布于比例爆深以下位置;结构变形和毁伤主要在冲击波传播阶段形成,气泡脉动和射流的二次毁伤效果较弱;混凝土和沉箱内填土是主要能量吸收部分。     

气冷涡轮环形叶栅三维流场的实验与数值研究

采用4种不同的湍流模型对叶片表面带小孔射流的环形涡轮叶栅内部流场进行数值计算,并与热线实验测量结果进行了对比.结果表明,由于射流尾迹的影响,在射流附近靠近壁面处产生二次流,二次流随着射流下游距离的增大逐渐减弱.比较不同湍流模型的计算结果发现,采用κ-ε模型在射流尾迹区域和与主流掺混区域的计算结果与实验吻合较好,B-L模型在近壁面的速度计算结果偏大,其对尾迹区域二次流的捕捉也较差.     

激光空泡在刚性壁面附近空蚀特性

采用脉冲激光聚焦于透明液体中产生单个激光空泡,利用高速相机拍摄空泡在透明液体中整个运动过程,并对刚性壁面造成的空蚀现象进行了观测.实验研究发现,空泡溃灭将产生高速冲击波和高速射流,这是造成刚性壁面损伤的两种主要原因.空泡与刚性壁面的无量纲距离在0.4～1.4之同时,刚性壁面首先受到高速冲击波的破坏,由于空泡的趋壁效应,空泡在第二次收缩过程中将在壁面附近对实验靶材产生高速微射流的空蚀破坏.且这两种作用机制在无量纲距离为1.0时,高速微射流对壁面的空蚀效果更加明显.     

爆炸气泡与自由水面相互作用动力学研究

为探究爆炸水幕形态与水下流场变化之间的联系,设计了小当量RDX装药水箱内爆炸实验系统.采用两台高速录像机同步拍摄了气泡和水幕形态的演变过程,获得了三种典型气泡形态和六种典型水幕形态.通过观察气泡-水面-空气之间的流场变化和理论分析,揭示了六种形态水幕的演变规律及其形成机理,并与电火花形成气泡实验结果进行了对比分析.通过对不同比例深度条件下的气泡横向半径、纵向半径、膨胀时间、脉动周期、气泡边界运动过程等的统计分析,揭示了近水面水下爆炸形成气泡的动力学过程.     

射流冲击模型在水下爆炸实验中的应用研究

 为研究射流冲击载荷对结构的作用效果,从理论和数值角度研究了射流的载荷特性,以舱段模型实验为研究对象,建立了射流计算模型,结合实验数据,对射流冲击问题进行了分析。结果表明,射流冲击能够造成结构强烈的局部响应,某些情况下,射流冲击载荷引起的结构响应甚至比冲击波载荷引起的响应更大。因此,中近场水下爆炸实验需要考虑射流的影响。建立的射流模型能够较好地反映射流冲击的载荷特性,为水下爆炸实验分析提供了一种新的手段。     

行波驱动下空泡在可压缩流场中的运动特性研究

基于波动方程给出了计及可压缩性的边界积分方程. 以此为基础,求解行波驱动下非球状空泡的运动规律及其运动稳定性,并分析比较了行波频率、幅值以及初相位对空泡运动特性的影响. 研究结果表明：较高的行波频率与较低的幅值是空泡稳定运动的充分条件. 在一定幅值和频率的行波驱动下,空泡将在收缩阶段末期形成与行波传播方向相同的高速射流;计及流场可压缩性后,空泡脉动一次的时间减短,幅度减弱,射流顶点速度以及空泡内部压力的峰值随之减小;随着行波频率的增大或是幅值的降低,空泡脉动幅度与射流强度逐渐减弱;行波初相位的变化使空泡的初始运动状态随之改变,并影响非球状变形时的射流强度. 关键词： 可压缩 空泡 行波 运动特性     

The characteristic of the bubble generated by underwater high-voltage discharge

When underwater high-voltage discharges, the electric energy is converted to mechanical energy, including the shock wave and the bubble wave. A simplified model is built based on Rayleigh model and the relationship between the pulsation period and the maximum radius of the bubble. Then, the analytical results are compared with the experimental results. During the experiments, we find that: (1) the generation of the bubble presents a high relation with the types of the electrodes; (2) A liquid jet during the bubble’s rebound is the main reason of the wave generated by the bubble.     

Thermodynamic effect of single bubble near a rigid wall

The objective of this paper is to numerically investigate the thermodynamic effect during bubble collapse near a rigid boundary. A compressible fluid model is introduced to accurately capture the transient process of bubble shapes and temperature, as well as corresponding pressure, and velocity. The accuracy of the numerical model is verified by the experimental data of bubble shapes, and Keller-Kolodner equation as well as its thermodynamic equation. The results show that a bubble near the rigid boundary presents high-speed jet in collapse stage and counter jet in rebound stage, respectively. In the collapse stage, the bubble margin will shrink rapidly and do the positive work on the compressible vapor inside the bubble, then a significant amount of heat will be generated, and finally the generation of high-speed jet drives the low-temperature liquid outside the bubble to occupy the position of high-temperature vapor inside the bubble. In the rebound stage, the counter jet moving away from the rigid boundary takes part of heat away from the sub-bubble, which avoids the external work of the expansion of the sub-bubble and the temperature reduction caused by the dissipation effect of the vortex structure. In addition, the initial standoff has a significant effect on the thermodynamics of bubble oscillation. The temperature keeps increasing with the increase of the initial standoff in the collapse stage, while it shows a downward trend with the increase of the initial standoff in the rebound stage. That’s because the high-speed jet and counter jet of bubble gradually disappear when the initial standoff increases, which is the important reason for the opposite evolution trend of temperature in collapse and rebound stage.     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。     

TNT/RDX（40/60）炸药球水中爆炸波研究

 利用锰铜计、PVDF计和电气石计分别测量了TNT/RDX（40/60）炸药球水中爆炸波峰压,得到了在1≤R/R₀≤400比例距离范围内的峰压衰减规律。利用电气石计得到的爆炸远区压力时程和气泡脉动周期资料证实了水中爆炸测试法评估炸药能量的可行性。