烟火药水下燃烧喷口气泡的动力学模型及实验验证

为了研究烟火药水下燃烧的声辐射特性,从药剂燃烧的三大守恒方程出发,结合水下排气方程建立了喷口气泡演变的动力学模型,并在相同的条件下(水深为0.5m),采用高速摄影实验对模型的计算结果进行了验证。结果表明：测试结果与模型计算结果在前期(0.033s之前)吻合较好,平均相对误差为4.22%,后期(0.033s之后)由于气泡偏离了球形而产生了一定的误差,平均相对误差为15.46%。     

含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油--气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜 层的形成质量产生重要影响. 基于耦合的水平集--体积分数 方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究, 考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气 泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律. 研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同 液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因. 气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单 点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂. 不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性. 碰撞速度和液体 黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响. 碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象. 液体黏 度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.      

含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油-气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜层的形成质量产生重要影响.基于耦合的水平集-体积分数方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究,考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律.研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因.气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂.不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性.碰撞速度和液体黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响.碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象.液体黏度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.     

三维气泡与自由表面相互作用的直接数值模拟

采用VOF中的PLIC界面重构方法数值模拟了三维气泡在液流中上升并与自由表面相互作用的运动.分别考察了不同初始高度,有无来流及有无再生气泡对气泡上升高度、上升速度、压力及与自由表面相互作用等的影响.结果表明:气泡初始位置越低,顶端上升的高度越大,自由面隆起的范围更广.越靠近自由表面,底部射流横向发展越窄,而向上的压力梯度,气泡上升速度,底部射流上升高度越大,反之则反;但如果底部射流均在接近自由表面以前已横向发展充分,则差别不大.气泡外形、上升高度、破裂时间以及上升速度与来流无关.产生再生气泡后,原生气泡与再生气泡相吸,相互加速对方的上升;自由表面抬升的高度增幅较大,范围拓宽,上升速度也大大增加,且再生气泡越多,自由表面隆起的范围越大.     

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件. 实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度. 前人基于 Rayleigh-Plesset 气泡理论和 “Bjerknes” 力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理. 本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究. 然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程. 研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在“正反馈效应”,从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理. 射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小. 本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.      

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件.实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度.前人基于Rayleigh-Plesset气泡理论和"Bjerknes"力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理.本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究.然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程.研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在"正反馈效应",从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理.射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小.本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.     

水下爆炸气泡脉动测量及分析

水下爆炸气泡破坏效应是水中兵器的重要毁伤模式之一。为研究水下爆炸气泡脉动现象,建立了小当量水下爆炸实验系统,并进行了爆炸当量分别为0.125g、1.0g、3.375g和8g TNT的水下爆炸实验。采用球形PETN装药并中心起爆,产生球形对称的气泡和冲击波载荷,并利用高速摄像系统记录水下爆炸气泡脉动过程,以及布置压力传感器测量水中冲击波压力。实验获得了清晰的水下爆炸气泡脉动过程图像,得到了冲击波和气泡脉动压力曲线。对数字化图像进行判读,得到气泡脉动直径和周期。另外根据冲击波曲线测量了气泡脉动周期,对比分析了气泡脉动相关参数。结果表明,高速摄像数据测量的气泡直径与经验公式较接近,高速摄像测量的气泡周期与冲击波曲线测量的气泡脉动周期以及经验公式结果具有较好的一致性。本文提出的实验技术安全、经济、可靠,气泡脉动参数判读精确,满足水下爆炸气泡脉动研究需求。     

环形喷管喷口气泡演化的实验研究

水下气泡的发展演化及气泡动力学行为是气液两相动力学的基础理论与水下射流应用的重要基础. 环形喷管/喷口形成的气泡及气体射流具有其不同于圆孔实心射流的特殊表现与规律机制,随着同心筒破水发射等特殊应用的出现,环形喷口气体射流/泡流的基础现象观测和机制分析成为迫切的需求. 基于环形喷管的设计和水下射流条件的分析,设计建立了一套环形喷管水箱实验系统,对水下环形喷管喷口气泡发展演化过程进行了初步的实验研究. 为观测研究气体通过环形喷管气泡生长发展过程,在较低压力、较低流速下,采用高速摄影仪记录气泡生长及发展演化过程. 结合对气泡发展演化过程的图像处理与分析,研究分析了环形喷口气泡形成区制、气泡生长过程形态发展特点、以及气泡形成时间及气泡体积变化特点. 研究表明:在本实验气体流量范围内(50.8~237.3 dm3/min),环形喷口气泡发展演化过程呈现较为明显的三周期区制,前泡尾流影响是环形气泡呈三周期区制的主要原因;不同周期内的气泡形成时间具有较稳定规律,并受到流量影响;气泡生长过程中有较为明显的下沉、回升特征;气泡表面张力、液体惯性与流动的共同作用,造成了典型的气泡顶部坍塌现象.      

均匀电场中气泡上升特性的实验研究

电场中的气泡对于强化传热有显著的作用, 对于电场中气泡动力学特性的研究对增强换热器效率, 提高能源利用率有重要意义. 为了获得外加电场作用下气泡的动力学特性, 设计与搭建了可视化实验平台. 采用50 kV高压直流电源构建均匀电场, 高清摄像机拍摄实验图像. 引入电场强度、气泡体积与溶液介电常数作为变量, 探究其对于气泡动力学特性的影响. 观测了竖直与水平均匀电场中气泡的上升过程, 分析了不同变量下气泡变形状况与上升速度的变化. 引入气泡长宽比L/D用于表示气泡拉伸变形程度, 截取单个气泡上升过程分时段图像展示形态变化过程. 研究结果表明, 气泡沿电场方向伸长, 且电场强度越大, 变形越明显; 竖直电场中气泡伸长导致上升速度增大, 而水平电场中气泡上升速度减小. 气泡尺寸增大, 浮升力作用增强, 气泡上升速度增大. 溶液介电常数增加, 电场力作用明显增加, 气泡变形更加明显.      

海洋大气间气泡的气体输运1)

研究球形小气泡在理想流体的波浪场中的气体扩散过程,把小雷诺数下均匀来流绕流球形气泡的气体交换结果与气泡运动方程耦合在一起进行求解.讨论了溶解于水中的气体浓度、波浪、气泡半径、气泡初始深度对单个气泡气体扩散量的影响.由于气泡云对气体的输运,溶解于水中的气体可出现过饱和状态.对10 m/s风速下气泡云的气体输运量进行了计算,得到水中O     

Experimental Study on Bubble Movement Characteristics during Underwater Pyrotechnic Combustion

High-speed photography was used to study bubble movement characteristics during underwater pyrotechnic combustion. The results show that bubble behaviors include bubble formation at the nozzle, departure from the nozzle, bubble coalescence, and bubble breakup. Compared with cavitation bubbles and fluidization bubbles, the nozzle bubbles formed during underwater pyrotechnic combustion feature larger diameters, up to centimeters, and darker, and more irregular shapes. During large bubble coalescence, two bubbles approach each other, generate a channel for transfer of mass and heat, and finally coalesce. The bubbles contain high-temperature gases and solid residues generated during pyrotechnic combustion, which lead to non-uniform forces on the bubble surface and make the bubbles more prone to breakup. Because of the high-temperature solid grains, the surrounding liquid vaporizes to form bubbles.     

离心机水下爆炸缩比实验原理及数值研究

对离心机水下爆炸缩比实验方法进行探究,对离心机水下爆炸缩比实验的相似理论进行了推导,通过数值计算分析,探究了原模型、离心机缩比实验及常规缩比实验的冲击波载荷、气泡载荷以及气泡动力学行为。结果表明:常规缩比实验不能对气泡行为及垂直方向的近场载荷进行准确的预报,若要保证远场气泡脉冲峰值误差小于10%,则爆距需大于9.5倍气泡最大半径。而离心机缩比实验能够对原模型进行准确的预报,以小当量装药模拟大当量装药水下爆炸整个物理过程,且冲击波和气泡两个阶段完全相似。同时,水深也可以进行几何缩比,克服了常规缩比方法的缺陷。     

近场水下爆炸气泡脉动及水射流的实验与数值模拟研究

海上作战时,近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律,开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明,气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着,基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟,结果表明:爆距在0.821～0.867倍最大气泡半径时,存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点;固支方板加快了气泡坍塌的进程,炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早;射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小,并在临界点附近达到最大值,射流速度最大可达621 m/s,射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后,给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。     

Effect of a rigid structure on the dynamics of a bubble beneath the free surface

The coupling effect between a pulsating bubble and a free surface near a rigid structure is a complicated physical process. In this study, the evolution of an underwater explosion bubble and the free surface near a rigid structure is modeled by the boundary integral method. An approach of “double-node method” is used to maintain the stability of fluid-structure junction in the simulations, and meshes on the free surface and the structure are transformed to an open domain to ensure the calculation accuracy and efficiency. Validations are conducted against an underwater explosion experiment near a rigid structure. As a result, the simulations trace the jetting behavior of the bubble and the rise of the free surface. Finally, the bubble migration and the height of the free surface for different structure draughts are analyzed.     

CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究

为研究CL-20基炸药、CL-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2 m×2 m×2 m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生、膨胀和收缩过程。拟合得到气泡脉动过程中气泡半径、速度、加速度对时间的变化曲线,对比分析了CL-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律。在实验条件下,首次直观地拍摄到CL-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象。实验表明:CL-20基含铝炸药的气泡半径、脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段。     

近边界三维水下爆炸气泡动态特性研究

模拟了近壁、近自由面的水下爆炸气泡的非线性动态特性,假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的,采用高阶曲面三角形单元离散三维气泡表面,用边界积分法求解气泡的运动,在计算奇异积分时通过重新构造双层位势的主值积分消除双层奇异积分的奇异性,得到更精确的结果,并通过合理的加权方法精确的求解边界面上各节点的真实速度,结合弹性网格技术（elastic mesh technique, EMT）得到优化速度,在整个模拟过程中不需要采用数值光顺。将本文的三维模型与轴对称模型进行的对比分析表明,两种模型计算结果吻合很好,并用三维模型模拟了气泡与自由表面及圆筒的相互作用,水下爆炸气泡在自由表面及圆筒的联合作用下呈现出强非线性。     

水下爆炸气泡射流载荷计算的新方法研究

由于存在强冲击、多相界面复杂运动等强非线性效应,目前对于水下爆炸气泡运动的计算方法无法给出较为可信的水射流运动特征及其载荷形式.本文基于多相可压缩流体的five-equation计算模型,引入界面函数和界面密度压缩技术,采用5阶WENO重构与HLLC近似Riemann求解器进行空间离散,时间离散采用3阶TVD Runge-Kutta法.通过上述方法来提高水下爆炸气泡溃灭过程中气-液界面的计算精度,捕捉水射流的产生、发展以及水锤冲击等典型演化过程.计算结果表明,新的计算方法能够对水下近壁面爆炸气泡的溃灭过程进行有效的模拟,初步揭示了水射流直接载荷的特征,为水射流的产生机理及其损伤效应的研究提供技术支撑.     

Radiation effect on temperature distribution and NO formation in a diffusion flame under reduced gravity conditions

Combustion of hydrocarbon fuel is accompanied with the formation of nitric oxide (NO) amongst other harmful emissions. In this work, a numerical investigation has been made for understanding the effect of radiative heat transfer on temperature distribution and formation of thermal NO in a methane–air diffusion flame under different reduced gravity environments. Conservation equations of overall mass, species concentration, momentum and energy for the reactive flows have been numerically solved with the use of finite difference scheme. In addition to that a semi-empirical soot model and an optically thin radiation model have been incorporated in the simulation. Gravity level is varied by the changed values of acceleration due to gravity. A thermal NO model incorporated accounts for the NO formation process which is decoupled from the hydrocarbon combustion. The relevant conservation equations have been solved as a post combustion reaction process. The flame height drops marginally with the reduction of gravity. Temperature becomes more uniformly distributed at lower gravity. NO formation boosts up with the fall of gravity below normal level when no radiation effect is considered. However, when radiation is considered, NO formation declines marginally with the reduction of gravity levels. Also in this case, concentration values of NO compare substantially lower with those without radiation. The upsurge of NO formation due to decline in gravity; and on the other hand, a shrinkage in concentration values of NO due to radiation effect can be attributed mainly to the rise and fall of temperature respectively in the computational zone.     

基于气泡形态影响的水下气幕对冲击波衰减效果分析

气泡帷幕是水下爆炸冲击波防护的重要手段,对其作用机理及技术参数的深入研究对水下爆破安全与应用具有重要意义。采用高速摄影技术对室内小型水下气泡帷幕模型拍摄发现气幕在形成过程和与水下爆炸冲击波相互作用过程中均具有高度非连续性和非均匀性,且气幕区域内气体与液体混杂,界面轮廓复杂多样。在此基础上,考虑气泡形状及界面影响下,通过LS-DYNA有限元软件自带的APDL语言进行编程,实现了在设定的气幕区域内,通过设定气泡直径变化范围及气泡直径之间的最小差异值随机投放一定数量不同直径的气泡来模拟真实气幕中气泡的分布,并通过改变固定区域内气泡个数来模拟不同气压值工况下的气幕效果。分析发现该方法能够更加真实反映气幕在冲击波防护过程中的防护机理,随着单位区域内气泡数量的增大,防护效果越明显,但当气泡数量达到一定数量后气幕整体连续性及稳定性基本固定,防护效果也趋于稳定。