近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型；并开发相应的计算程序，计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手，运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性，包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象；研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系，总结相关规律，近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中，讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围，并解释了Blake准则的失效的原因.     

近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型;并开发相应的计算程序,计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手,运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性,包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象;研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系,总结相关规律,近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中,讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围,并解释了Blake准则的失效的原因. 关键词： 气泡 自由面 环状 水冢     

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.     

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     

有倾角的竖直壁面附近气泡与自由面相互作用研究

本文采用边界元方法, 研究了具有倾角的竖直壁面附近气泡与自由面的相互耦合作用. 首先基于不可压缩势流理论, 建立了边界元气泡动力学模型, 并针对无限壁面附近的气泡和自由面作用问题, 采用镜像法模拟了倾斜壁面的作用. 然后, 基于本文所建立的数值模型, 分别计算了不同倾角的壁面对气泡和自由面水冢形态的影响, 发现倾斜角度会导致自由面的边界条件不连续, 从而对其运动产生明显的非线性影响. 最后, 分别分析了无浮力和有浮力情况下倾斜角度对其影响规律. 关键词： 水下爆炸 气泡动力学 倾斜壁面 自由面     

高粘度流体中上升气泡的直接数值模拟

本文将基于Front Tracking方法求解气液两相界面迁移特性的直接数值模拟方法扩展到中低Re数情形 (1．89≤Re≤55．6),针对无边界以及垂直壁面附近高粘度流体中单个气泡(1．2 mm≤D≤6 mm)的上升过程进行模拟,研究气泡运动的机理以及气泡与壁面的相互作用。数值模拟准确再现了气泡的上升过程和变形,不同Re数下气泡的上升速度计算结果同经验关联式非常吻合,验证了该方法在中低Re数范围内的有效性。壁面附近流场的不对称引发壁面对气泡的升力是导致气泡逐渐偏离垂直壁面的原因,计算得到的壁面作用力系数同实验结果的对比也确定了本文参数范围内计算壁面对气泡作用力的模型。     

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.     

声波激励下管路轴向分布双气泡动力学特性分析

针对基于声学理论的管道气泡检测技术面临的声波作用下的气泡相互作用机理问题,本文基于自由气泡Rayleigh-Plesset模型,通过引入次Bjerknes辐射力,构建能够考虑管道轴向气泡分布的可压缩性双气泡动力学模型.利用四阶龙格库塔方法开展数值计算,对比分析了不同激励声波频率与幅度作用下自由气泡与双气泡模型引起的气泡动力学特征的区别.同时对比了液体可压缩与不可压缩假设引起的气泡动力幅频响应的区别,表明可压缩假设下的次Bjerknes辐射力引起气泡发生受迫振动,不改变气泡的线性共振特征;而不可压缩假设引起气泡间发生强耦合,从而改变气泡系统的线性共振特征.气泡距离直接影响次Bjerknes辐射力大小,导致气泡动力学趋向于非线性振动,与线性振动的频谱特征差别明显.气泡轴向位置的变化引起外界激励声波的变化,从而改变气泡的初始振动特征.初始特征的差异与次Bjerknes辐射力发生耦合作用,影响气泡动力学特征,甚至发生非线性振动.研究表明,小气泡在共振的情况下,与次Bjerknes辐射力发生耦合作用,使得双气泡系统更容易趋向于非线性特征;而大气泡则能够较好地保持线性共振状态.     

静止水中单个上升气泡的直接数值模拟

本文发展了基于Front Tracking的直接数值模拟方法研究气液两相界面的迁移特性,该方法对气液两相采用半隐式的分步法直接求解N-S方程,耦合Front Tracking Method获得两相界面的三维变形。针对无边界以及垂直壁面附近静止水中的单个气泡上升过程进行模拟,研究气泡运动的机理以及气泡与壁面的相互作用。数值模拟准确再现了气泡的上升过程和变形,不同Re数下气泡的上升速度计算结果同经验关联式非常吻合,验证了该方法的有效性。随后分析了气泡周围流场的结构,发现壁面对气泡周围流场的抑制是壁面对气泡作用力的主要原因,将导致气泡逐渐偏离垂直壁面。     

圆形破口附近气泡动态特性实验研究

以往对于壁面附近气泡动态特性的研究均是针对完整壁面进行的, 而对带破口壁面附近气泡运动特性的研究很少, 例如舰船结构在遭受药包爆炸冲击波作用后形成破口, 其仍可能会遭受随后生成气泡的二次打击, 破口的存在必定会影响爆炸生成气泡的动力学行为. 本文采用电火花气泡生成与观察实验装置, 对带有破口的壁面附近气泡脉动和射流特性进行研究.通过实验发现, 当气泡在破口同心位置生成时, 破口的存在会使气泡靠近破口一侧形成"腔吸现象", 并使气泡形成对射流. 在此基础上分析了破口大小和无量纲距离对破口附近气泡的影响规律, 最后讨论气泡在破口偏心位置生成时的运动特性, 结果发现破口附近气泡的二次打击威力随偏心距离的增加而增加, 文章旨在为不同边界附近气泡运动规律研究提供参考. 关键词： 气泡 实验 破口 射流     

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。     

Collapsing dynamics of a laser-induced cavitation bubble near the edge of a rigid wall

In the present paper, the collapsing dynamics of a laser-induced cavitation bubble near the edge of a rigid wall is experimentally investigated with a high-speed photography system. For a symmetrical setup, the two primary control parameters of the bubble collapsing behavior include the equivalent maximum bubble radius and the distance between the bubble and the edge of the rigid wall. Based on the bubble interface deformation during the collapsing process, three typical cases are identified for the categorization of the phenomenon with the influences of the parameters revealed. Through a quantitative analysis of the obtained high-speed photos, the motions of the bubble interface in different directions are given together with the calculations of the bubble centroid. The primary findings of the present paper could be summarized in terms of the bubble-edge distance as follows. When the bubble is close to the edge, the movement of the bubble interface near the edge will be restricted with a clear neck formation in the middle part of the bubble. For this case, the edge could delay the bubble collapsing time up to 22% of the Rayleigh collapsing time. When the bubble is of the medium distance to the edge, the differences of the expansion or shrinkage of the bubble interface among different directions will be reduced with an olive-shaped bubble formed during the collapsing process. For this range of parameters, the bubble moves rapidly toward the edge especially during the final collapsing stage. When the bubble is far away from the edge, the bubble will be a nearly spherical one.     

DNS of turbulent flow with hemispherical wall roughness

The present study of the effect of roughness density on the mean flow turbulence parameters is motivated by the need for new generation of boundary conditions for multiphase computational multiphase fluid dynamics (CMFD) models applied to boiling flows. Effect of roughness element density on the turbulent flow in a channel is quantified through direct numerical simulations (DNSs). The Navier--Stokes equations are solved using finite element method and bubbles are approximated as rigid near-hemispherical obstacles at the wall. Six different cases were analysed including channel flow with smooth wall and channel flow with rough wall for five different bubble nucleation site densities. Friction factor and the law of the wall was calculated and compared with the previously published results. Existing correlations for nucleating bubble site density dependency on a wall heat flux were used to obtain a relation between the heat flux and the friction factor, leading to the law of the wall dependency on the heat flux. This separate effect study provides new guidelines on how the heat flux in subcooled boiling regime affects the turbulence behaviour near the wall and guides the computational fluid dynamics model development for boiling two-phase flows.     

Translation of cavitation bubble near the different walls

The interaction between spherical cavitation bubble and flat wall is transformed into that between the real bubble and imaging bubble by the method of images. Firstly, we investigate the dynamics of real bubble and matched, inversed or mis-matched imaging bubble driven by a small amplitude ultrasound, revealing the characteristics of the interaction between cavitation bubble and rigid, soft and impedance walls. Then, we emphatically study the dynamics of real bubble and mis-matched imaging bubble driven by a finite amplitude ultrasound, and the interaction characteristics between cavitation bubble and real impedance wall are revealed. The results show that the cavitation bubble is always close to the rigid wall and far away from the soft wall; For the impedance wall, whether the cavitation bubble is far away or close depends on the specific wall parameters. Moreover, the direction and magnitude of bubble's translation velocity can be changed by adjusting the driving parameters. Understanding the interaction between cavitation bubble and impedance wall is of great significance for efficient application of ultrasonic cavitation.