海洋大气间气泡的气体输运

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１０ｍ／ｓ风速下气泡云的气体输运量进行了计算,得到水中Ｏ２的过饱和度可达１．８９％～３９２％,与实际观测值一致．     

有气体溶解和没有气体溶解的水中石墨烯间的疏水引力

凝聚物理学界发现溶解在水中的气体会在疏水表面吸附,由此认为当疏水物体间距足够小的时候,吸附在疏水表面的气体会相互联通形成纳米气泡桥,纳米气泡桥连结疏水物质形成疏水引力,但是关于纳米气泡桥的形成过程和形态,力学界还没有一个清晰的描述.采用分子动力学方法,研究了在有气体溶解的水中和没有气体溶解的水中两片石墨烯间的引力作用,分析了两种情况下各相密度分布的变化过程、结构相图的变化过程和平均力势的变化过程,详细阐明了纳米气泡桥的形成和消失过程,并定量计算了纳米气泡桥的作用效果和作用距离.模拟结果表明:两片石墨烯在有气体溶解的水中和无气体溶解的水中的疏水引力都是由纳米气泡桥引起的.当石墨烯间距小于0.5nm时,无论水中是否有气体溶解,疏水引力由真空纳米气泡桥引起;当石墨烯间距大于0.5nm时,在没有气体溶解的水中,疏水引力由水蒸气纳米气泡桥引起;而在有气体溶解的水中,疏水引力由所溶气体形成的纳米气泡桥引起.      

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡, 了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提. 基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽, 模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭, 并采用修正的VOF 方法捕捉自由液面, 数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程, 重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性. 结果表明, 建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程, 较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程; 波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流, 其运动过程十分复杂; 掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在, 其中, 气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关, 且其输运轨迹主要受周围流场的影响; 研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系, 发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.      

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡,了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提.基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽,模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭,并采用修正的VOF方法捕捉自由液面,数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程,重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性.结果表明,建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程,较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程;波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流,其运动过程十分复杂;掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在,其中,气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关,且其输运轨迹主要受周围流场的影响;研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系,发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.     

柱形装药自由场水中爆炸气泡的射流特性

为研究柱形装药水中爆炸气泡射流特性,采用高速摄影方法在实验水箱中对PETN药柱进行水中爆炸实验,初步获得了有关柱形装药自由场水中爆炸气泡运动的数据资料.研究结果表明:柱形装药自由场水中爆炸形成气泡的运动与球形装药的存在差别,药柱放置方式的变化也会导致水中爆炸气泡产生性质迥异的运动.当药柱水平放置时,气泡表面的运动呈非对...     

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.      

烟火药水下燃烧气泡的实验研究

为探讨烟火药水下燃烧的声辐射机理,基于气泡的瞬时性,采用高速摄影和录像的方法对烟火药水下燃烧气泡的整个物理过程进行了试验研究.发现烟火药水下燃烧过程可分为气泡形成、上浮、破裂成气泡云以及气泡云的水面破裂喷涌四个阶段.随着燃烧速度的增加,气泡演变更加剧烈,出现了合并现象,同时所辐射的噪声也随之增大.气泡上升的过程中并不是完整的球形,且总体上由于气泡体积的变化受力不均而呈曲线形上升.     

小当量水中爆炸气泡的脉动现象

为研究水中爆炸气泡的脉动现象,设计了用于小当量(10 g TNT)水中爆炸研究的爆炸水箱,在爆炸水箱装置中进行了多次0.125、1.000、3.370、8.000 g TNT当量的PETN球形炸药水中爆炸试验。采用高速摄影系统获得了气泡脉动图片;给出试验范围内气泡脉动过程中气泡直径、速度及加速度随时间变化的拟合曲线。对气泡脉动直径和周期数据进行了分析,这些数据基本符合爆炸相似律。     

流向磁场下球形气泡绕流的线性稳定性分析

电磁冶金中氩气通常作为动力和载体将脱硫剂、脱氧剂吹入到液态金属中,因此存在磁场环境下气泡在液态金属中自由运动的问题,而绕流作为自由运动的特殊形态,是研究自由运动问题的第一步.本文通过有限元方法研究流向磁场作用下球形气泡绕流的全局线性稳定性,讨论基本流对时间-方位角模态小扰动的响应,发现了8个不稳定的驻定模态,并绘制它们在Re-Ha参数平面的中性曲线.结果显示方位角波数m=1的驻定模态首先导致第一次常规分岔,该模态已被广泛证实为轴对称绕流中最不稳定的模态,使轴对称尾迹转变为由一对反向旋转涡组成的单平面对称尾迹.同时第一次分岔的中性曲线展示磁场对球形气泡绕流先失稳后致稳的作用.后续分岔依次由定模态导致.这些分岔为认识磁场环境下气泡绕流的尾迹结构提供重要的参考价值.     

水中爆炸气泡脉动现象的实验研究

在实验水箱中采用高速摄影技术获得了炸药水中爆炸气泡脉动过程图像。实验结果表明:短长径比（1.05）PETN炸药水中爆炸产生的气泡形状近似球形,气泡脉动周期和半径随炸药质量的增加而增大。在膨胀阶段,气泡中心位置保持不变,随着体积的不断缩小,气泡上浮越来越明显。受重力影响,气泡下表面收缩速度高于上表面,在收缩至最小时下表面向上冲顶,气泡溃灭形成水射流。     

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。     

静水中气泡上升运动及阻力系数研究

采用模型计算法与实验法结合的方式对静水中气泡上升运动行为进行研究。通过牛顿运动定律，基于不同物理模型，建立气泡在水中运动的微分方程；假设气泡在运动过程中的关键参数取值，推导小气泡在水中浮升过程中的气泡行为预测公式；针对不同流态下的气泡上升关键参数进行适应性分析和算例计算。通过设计气泡上升运动实验，对气泡上升运动公式进行适应性分析，修正关键参数的取值。据此提出一种小气泡上升运动规律的计算方法以及关键参数取值方式及参考区间。     

柱形汇聚激波冲击球形重气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了柱形汇聚激波与球形重气体界面相互作用的 Richtmyer-Meshkov不稳定性问题. 激波管实验段基于激波动力学理论设计, 将马赫数为1.2 的平面激波转化为柱形汇聚激波, 气体界面由肥皂膜分隔六氟化硫(内)和空气(外)得到. 采用高速摄影机在单次实验中拍摄激波运动的全过程, 对柱形激波的形成进行了实验验证, 并进一步观测了汇聚激波与球形气体界面相互作用过程中的波系发展和气体界面变形以及反射激波同已变形界面二次作用的流场演化. 结果表明: 当柱形汇聚激波穿过气泡界面以后, 气泡左侧界面极点沿激波传播方向保持匀速运动, 气泡右侧界面发展成为射流结构, 气泡主体发展成为涡环结构; 在反射激波的二次作用下, 流场中无序运动显著增强并很快进入湍流混合阶段.     

湍流扩散多相流

湍流扩散多相流在许多工程和环境科学实际应用中十分常见.流体相中的湍流和扩散相的随机本质使得湍流扩散多相流中遇到的问题远比单一流体中遇到的湍流现象复杂得多.首先评述了湍流扩散多相流研究中实验技术和数值计算方面的现状、各自的优点与局限性,以及该领域研究中未来面临的挑战.主要关注湍流扩散多相流研究中以下3方面重点内容:颗粒、液滴和气泡的选择性聚积;湍流对流体相和扩散相耦合作用的影响以及颗粒物和气泡的存在对流体相中湍流的调节机制.     

水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究

本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$\gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $\gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究,采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟,利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度,同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性.实验中,采用水下放电技术生成气泡,使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应.首先对比数值与实验结果,二者吻合良好,验证了数值计算模型的有效性和正确性.然后通过对气泡与浮体的无量纲距离γ_s(气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现:(1)γ_s从0.2增大至2时,气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(0.2≤γ_s≤0.3)、接触射流(0.4≤γ_s≤0.6)、非接触射流(0.7≤γ_s≤1)、对射流(1.1≤γ_s≤1.3)和反射流(1.4≤γ_s≤2)等5种典型射流模式;(2)正射流速度随γ_s先增大后减小再增大,并且当0.7≤γ_s≤0.9时,速度可达约1000 m/s;反射流速度随γ_s增大而增大;(3)在本文实验条件下,γ_s1.5时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移;当γ_s≥1.5时自由液面对气泡的排斥作用更强,气泡在坍塌阶段远离自由液面.     

自由场水中爆炸气泡的物理特性

将水中爆炸气泡运动阶段周围流场假设为无粘、无旋、不可压缩的理想流体,运用边界元法模拟自由场中气泡的运动,在气泡运动模拟过程中引入数值光顺技术及弹性网格技术,避免因网格扭曲而导致的数值发散,并开发计算程序。计算值与实验值吻合良好,误差小于10%。从自由场水中爆炸气泡的基本现象入手,基于本文中开发的程序系统地研究了自由场中气泡的动力学特性。对流场中不同方位的压力进行分析,得出气泡中心的迁移方向及射流的攻击方向压力载荷比其他方向均大,说明气泡射流的攻击方向压力载荷最大,对水中结构造成严重毁伤,表明了气泡载荷的不对称性。计算了流场中不同位置的速度变化曲线,结果表明随着距气泡中心距离的增大,气泡运动引起的滞后流的速度迅速减小,且随着气泡的膨胀和坍塌,滞后流的方向逆转,总结了滞后流的衰减及变化规律。     

T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素

基于液滴或气泡的多相微流控是近年来微流控技术中快速发展的重要分支之一.本文利用高速显微摄影技术和数字图像处理技术对T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素进行实验研究.实验采用添加表面活性剂的海藻酸钠水溶液作为液相,空气作为气相.研究T型微通道反应器内气液两相流型的转变过程,并根据微通道内气泡的生成频率和生成气泡的长径比对气泡流进行分类.研究发现当前的进料方式下,可以观测到气泡流和分层流2种流型,且依据气泡生成频率和微通道内气泡的长径比可将气泡流划分为分散气泡流、短弹状气泡流和长弹状气泡流3种类型,并基于受力分析确定3种气泡流的形成机制分别为剪切机制、剪切-挤压机制和挤压机制.考察不同液相黏度和表面张力系数对不同类型气泡流范围的影响规律.结果表明:液相黏度相较于表面张力系数而言,对气泡流生成范围影响更大.给出不同类型气泡流流型转变条件的无量纲关系式,实现微通道生成微气泡过程的可控操作.      

喷管对水下爆轰气泡形态和压力特征影响的实验研究

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明：扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡...     

可压缩流场中气泡脉动数值模拟

在应用边界元方法对气泡动力学的研究中, 绝大多数模型是建立在不压缩势流理论基础之上, 针对可压缩流场中气泡运动特性的研究很少. 从波动方程出发, 分别在气泡运动前期和后期对波动方程进行简化, 得到气泡运动局部和全局简化方程, 采用双渐进方法对简化方程进行匹配, 提出了考虑流场可压缩性的非球状气泡运动模型. 该模型的计算结果与Prospertti 等的解析结果吻合很好, 气泡脉动最大半径和内部最大压力随气泡脉动逐渐减小. 基于该模型对比了自由场中药包爆炸考虑可压缩性与不考虑可压缩性的计算结果, 发现考虑可压缩性气泡射流速度较小, 随后基于该模型计算了刚性边界下气泡的运动特性.     

波浪场中物质输移离散系数的理论分析

海岸水域波浪引起的物质输移扩散存在着不同于水流引起的物质输移扩散的特征. 通过解析的方法对垂向扩散方程进行求解, 推导出波浪和潮流共同作用下的海岸水域物质输移离散系数的理论公式. 分析中将总的离散系数分为潮流、质量输移流、纯波浪波动作用以及潮流与质量输移流、潮流与波浪波动、质量输移流与波浪波动的相互作用6部分, 通过分析各组成部分特征, 得出海岸水域物质输移中波浪所产生的离散效应主要是质量输移流贡献, 波浪水质点运动及波流相互作用对时间平均离散系数的贡献较小的结论.仅波浪的作用(不包括潮流)的有关结果与他人数值模拟和实验结果的吻合良好, 证明了该理论推导的正确性. 给出了时间平均离散系数及离散系数波动幅值随波浪周期和波高的变化特征,同时将结果应用于垂向环流, 给出了垂向环流对应于质量输移流所产生的离散系数的特征.