基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究

基于高速摄像方法,针对入水空泡流动特征和机理,进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究.通过对实验现象的观测,发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式,结合影像数据,分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征,并获得了空泡波动参数的变化规律;对比不同入水速度实验,分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响;依据流体力学基本理论,分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理.结果表明:随入水速度增加,入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态,波动频率与入水速度无关,闭合发生时间随入水速度增加而减小,与Froude数呈线性关系;入水导致开放空腔内部气体涨缩,引起开放端压力场和速度场周期性扰动,空泡截面扩展程度出现差异,形成空泡波动现象;空泡闭合后尾部形成回射流,回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩,形成空泡云化现象.     

圆柱体低速入水空泡试验研究

针对入水空泡生成机理和发展过程, 以及影响入水空泡发展的复杂因素等开展入水试验研究. 通过垂直和倾斜两种方式入水试验研究, 分析了入水过程中的一系列流动现象, 以及空泡的生成、 发展和闭合, 同时通过对比试验结果得出了空泡闭合方式与入水速度之间的关系; 在此基础之上开展了多弹体入水试验, 分析了串列和并列入水时空泡的生成和相互之间的影响, 以及对运动体本身稳定性的影响.     

超弹性球体入水过程空泡演化及球体变形实验

超弹性材料是工程实际中常用的材料,具有很强的非线性力学性能.将超弹性材料应用于入水问题是一个新的跨学科研究方向.与传统的刚性球体入水现象不同,超弹性球体入水后极易发生变形.为了探究该大变形的入水流固耦合问题,本文采用高速摄像方法,对超弹性球体垂直入水问题开展实验研究.基于实验结果,对比分析了球体材料属性和入水冲击条件对入水空泡流动及球体变形行为的影响.实验结果表明,超弹性球体入水后产生嵌套空泡现象的条件是需要足够大的入水冲击条件和小的材料剪切模量.嵌套空泡产生和保持的时间与球体的剪切模量和直径有关.超弹性球体的入水位移及其形成空泡的长度随入水冲击速度和剪切模量的增大而增大,却随球体直径的增大而减小.入水冲击速度的增加只会加剧球体的变形程度,而不影响嵌套空泡的产生时刻.同时,本文对球体的变形行为随弗劳德数和剪切模量与水动力之比的变化特性进行了描述与研究.     

激光空泡溃灭及其产生的声波

强激光脉冲在水中的自聚焦传输、成丝、击穿及击穿后产生的声波,近年来成为强激光脉冲传输应用研究领域的一个热点。强激光脉冲电离产生的空泡在溃灭过程中,对周围水体产生压缩,从而在水下产生声波。在现有理论基础上,考虑空泡含气量、水的粘滞系数和水的表面张力系数对空泡运动及其产生声波的影响。给出双空泡运动方程,分析空泡间距对空泡溃灭和其产生声压关系。根据实际情况,计算不同温度情况下单空泡和双空泡运动过程及其产生的声压,并进行相互比较。计算结果表明: 水温越高,空泡运动时达到的最小半径越小,空泡振荡周期和溃灭时间延长,产生声压越高。随双空泡间距减小,空泡溃灭时达到的最小半径线性减小,而其产生的最大声压则单调增大。     

含气量对黏性液体中空泡脉动特性的影响

采用自行研制的高灵敏度光偏转测试系统,研究黏性液体中激光空泡脉动特性.判定了空泡两次脉动对应的最大和最小泡半径,进而计算了激光空泡在前两次脉动过程中泡内的含气量.研究表明：泡内含气量对泡脉动特性有较大影响.随着脉动次数的增加,空泡泡内含气量增大.空泡最大泡半径随含气量的增加而增大.此外,受液体黏性影响,空泡膨胀和收缩过程明显变缓. 关键词： 含气量 黏性 激光空泡 脉动特性     

圆锥边界附近激光空泡溃灭行为的研究

为了研究刚性圆锥边界锥角对激光空泡溃灭行为的影响,文章建立了虚拟平面边界模型, 同时采用阴影摄影术、光偏转法以及数值计算的手段对边界附近空泡溃灭过程进行了研究. 结果表明边界的锥角对空泡的形状、溃灭时间以及液体射流形成均有明显影响. 空泡形状偏离球形的程度和溃灭时间均随锥角的增大而增大,且增大锥角度可以促使射流的形成. 空泡溃灭时间的实验值同理论值具有较高的一致性,验证了虚拟平面边界假设及无量纲距离修正的有效性.     

开放空腔壳体入水扰动流场结构及空泡失稳特征

采用高速摄像实验和数值计算相结合的方法,对开放空腔壳体入水过程中空腔内气体涨缩对入水空泡的扰动机理和扰动作用下空泡局部失稳特征开展研究.基于实验观测结果,对比开放空腔和封闭空腔两种壳体入水空泡形态差异性,获得开放空腔壳体入水空泡波动特征,并根据能量守恒定律和能量转化关系,定性分析空腔自激扰动机理和扰动引起的空泡波动机理.基于数值计算结果,结合实验观测到的空泡阶段性局部失稳现象,定量分析空泡局部的结构性失稳特征和流动性失稳特征,并参照边界层理论和漩涡理论,揭示了空泡局部失稳机理.结果表明:入水冲击压缩空腔气体形成扰动源,对流场结构形成周期性扰动,导致空泡波动;撞水前空腔气体经冲击压缩密度升高,导致入水后气体首次膨胀阶段部分气体外泄,改变分离点流动,空泡局部结构失稳;空泡壁面流动具有类边界层流动特性,波动形态空泡形成多级回流现象,并逐级作用在空泡凹陷位置,使局部掺混区厚度增加,产生涡旋、转捩流动,空泡局部云化失稳;空泡逐级在波谷位置闭合、脱落,伴随大尺度漩涡生成,脱落过程形成拟序结构流场,漩涡导致脱落空泡迅速溃灭,但不会对附着空泡的流动产生影响.     

含气量对空泡脉动特性影响的理论研究

分析了含气量对粘性液体中球形单空泡脉动特性的影响。研究结果表明：随着泡内初始含气量的增加,空泡达到最大泡半径的时间延长;空泡膨胀的最大泡半径、收缩的最小泡半径和脉动周期均随初始含气量的增加而增加;同时,空泡膨胀和溃灭时泡壁的运动速度均随空泡初始含气量的变化而变化。无论含气量如何,在空泡收缩到最小泡半径附近,泡壁运动速度（收缩或膨胀）要明显快于其在最大泡半径附近;此外,受液体粘性影响,空泡膨胀和收缩过程明显变缓。     

水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.     

固壁面附近激光产生空泡脉动过程的实验研究

采用自行研制的光纤传感器研究了激光等离子体空泡在固壁面附近的脉动特性。实验获得了激光空泡三次膨胀到最大位置对应的波形图;并据此判定了激光空泡在脉动过程中对应的最大泡半径和溃灭周期;在此基础上结合空泡溃灭理论,计算了激光泡溃灭周期的延长因子κ。结果表明:随着脉动次数的增加,最大泡半径依次减小;随着作用激光能量的增大,最大泡半径,空泡溃灭周期的延长因子κ均增大;而无量纲参量的增大将导致延长因子的减小。所得到的延长因子同样可用于无限域流场。     

小攻角下三维细长体定常空化形态研究

基于边界元方法, 使空泡表面和细长体表面分别满足Dirichlet 边界条件和Neumann边界条件, 数值迭代获得小攻角下三维细长体的定常空化形态. 采用线性三角形单元, 将控制点布置在网格节点上, 应用局部正交坐标系并采用迭代方法获得空泡表面的速度势, 进而通过边界积分方程确定空泡厚度的分布. 采用拉格朗日插值方法得到空泡末端的厚度, 避免了迭代过程中网格的重新划分. 数值结果与实验值符合良好, 验证了该方法的合理性. 系统研究了空化数、攻角以及锥角对于三维细长体空化形态的影响规律. 数值结果表明: 攻角使得细长体的空化形态呈现不对称性, 出现空泡向背流面“堆积”的现象; 而空化数越小或锥角越大, 空泡形态的不对称性将越严重. 关键词： 边界元方法 三维细长体 局部空化 攻角     

Fiber Fabry-Perot Cavity Using Sagnac Loop with Phase-Shift Grating

Fiber Fabry-Perot cavity using Sagnac loop with phase-shift grating is investigated. Various interference patterns corresponding to the different fiber Fabry-Perot cavities are obtained, and their potential applications in multiwavelength fiber laser source are discussed.     

Stability of slender axisymmetric ventilated cavities closing on cylindrical hulls

Analytical formulae were proposed to estimate the stability of slender axisymmetric ventilated cavities, which allow calculating the dependences of the critical cavitation number versus vapor cavitation number both for the disc and the slender cavitators. These formulae were applied to calculate the stability curves for different radii of the conical hulls located inside the cavity and different shapes of the cavitator, Froude numbers and directions of the ambient flow.     

Radial oscillation and translational motion of a gas bubble in a micro-cavity

According to classical nucleation theory, a gas nucleus can grow into a cavitation bubble when the ambient pressure is negative. Here, the growth process of a gas nucleus in a micro-cavity was simplified to two “events”, and the full confinement effect of the surrounding medium of the cavity was considered by including the bulk modulus in the equation of state. The Rayleigh–Plesset-like equation of the cavitation bubble in the cavity was derived to model the radial oscillation and translational motion of the cavitation bubble in the local acoustic field. The numerical results show that the nucleation time of the cavitation bubble is sensitive to the initial position of the gas nucleus. The cavity size affects the duration of the radial oscillation of the cavitation bubble, where the duration is shorter for smaller cavities. The equilibrium radius of a cavitation bubble grown from a gas nucleus increases with increasing size of the cavity. There are two possible types of translational motion: reciprocal motion around the center of the cavity and motion toward the cavity wall. The growth process of gas nuclei into cavitation bubbles is also dependent on the compressibility of the surrounding medium and the magnitude of the negative pressure. Therefore, gas nuclei in a liquid cavity can be excited by acoustic waves to form cavitation bubbles, and the translational motion of the cavitation bubbles can be easily observed owing to the confining influence of the medium outside the cavity.     

扇形腔旭日型磁控管结构的理论分析与数字模拟

利用场分析法推导了扇形腔旭日型磁控管的色散关系, 通过CST模拟软件验证了理论推导的正确性, 分析了扇形腔旭日型磁控管的各项结构参数对π 模截止频率和模式分隔度的影响. 研究表明: 色散关系的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到3%, π 模截止频率的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到1%; π 模截止频率f_πc与阴极半径R_c, 阳极半径R_a, 大腔张角2θ₁成正比关系, 与小腔半径R_d0, 大腔半径R_d1, 小腔张角2θ₀成反比关系, 这一定性结论与同腔型磁控管的定性结论并不完全一致; 在径向比较上, 结构参数对频率的影响由大到小依次为: 阳极半径, 大腔半径, 小腔半径和阴极半径; 在角向比较上, 大腔张角对频率的影响较大, 小腔张角对频率的影响较小; 另外, 模式分隔度γ 与大腔半径R_d1成正比关系, 与阴极半径R_c, 小腔半径R_d0, 小腔张角2θ₀成反比关系, 随阳极半径R_a或大腔张角2θ₁的增大先增大后减小. 关键词： 旭日型磁控管 扇形谐振腔 色散关系 场分析法     

光纤F-P腔反射面的形变与传感应用研究

建立了反射端面为弧形形变的光纤F P传感腔数学模型.将弧形形变的F P腔等效为阶梯分布的、环状、平行端面F P腔体的组合,结合多光束干涉理论,利用光强叠加处理方法对弧形腔输出光强进行数学建模.依所建模型仿真,提出弧形端面曲率大于300 μm时,利用弧形形变特性进行传感测量的可行性.选取腔长变动大、形变弧度小,平衡状态稳定性高的形变端面保证传感腔的高灵敏度和稳定的工作点.     

斜激波与轴对称边界层干扰的数值模拟

使用两方程Menter-SST模型, 对来流Mach数为3时的斜激波与轴对称边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。研究了斜楔激波发生器楔角和来流单位Reynolds数变化对干扰区流动的影响, 总结了参数变化引起的流动分离变化规律; 此外, 还计算了与三维计算中心对称面上的入射激波等效的二维情形, 并将三维结果与二维情形进行对比, 对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。      

三维曲面腔顶盖驱动流的MRT-LBM研究

采用多松弛时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)的D3Q15模型分别对长方体腔、圆柱腔、半圆柱腔、旋转双曲面腔、旋转椭球面腔、半球腔以及两种组合腔体的三维顶盖驱动腔流进行数值模拟, 比较分析各腔体内流线分布、流速等值线分布和涡心的发展, 对于典型腔体模拟不同雷诺数下的流动情况。结果表明: 在同一雷诺数下, 曲面边界不仅能消除从边界产生的次涡, 还会导致腔内主涡的分离, 增大中心纵剖面纵向回流速度; “上长方体+下半圆柱”腔内流函数分布与边界贴合度最高。当雷诺数不断增大时, 半圆柱腔内主涡逐渐分离成两个同向涡, “上圆柱+下半球”腔内始终保持着圆柱腔与半球腔内的基本流动特征; 而长方体腔内主涡涡心保持在同一高度, 次涡逐渐增强, “上长方体+下半圆柱”腔内流动愈加规则, 主涡逐渐下沉, 流速等值线分布逐渐趋于中心小、四周大。