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.     

装药量及水深对水下爆炸气泡动态特性的影响

以气泡体积加速度模型为基础研究水下爆炸气泡运动的初始条件,采用MSC.DYTRAN 非线性 有限元软件,结合开发的定义流场初始条件与边界条件的子程序,研究水下爆炸气泡运动特性,包括气泡的脉 动、坍塌以及射流等运动特性,并将气泡脉动体积计算结果与实验及边界积分方法计算结果进行对比,验证了 有限元模型的正确性与有效性。以此为基础,得到初始水深、装药量与气泡的脉动体积、最大半径、周期以及 射流速度之间的关系,计算结果与经验公式具有较好的一致性。得到一些有规律性的曲线,可为相关水下爆 炸气泡动态特性研究提供参考。     

水下爆炸中气泡射流壁压特性实验研究

水下爆炸气泡射流载荷是中近场水下爆炸壁压载荷的重要组成部分, 将水下爆炸气泡射流简化为一段高速水柱来研究水下爆炸气泡射流载荷特性是研究水下爆炸气泡射流载荷的主要手段。本文基于腔内爆炸提出了一种新的高速水射流实验方法，并给出了实验装置设计、实验方法以及实验系统。基于实验系统，开展了不同工况下高速水射流的实验研究，研究了腔口位置、腔深对水射流形态的影响，并对水射流的形态形成因素进行了分析。使用压电型壁压传感器测得了水射流冲击壁压，给出了水射流冲击壁压的特性及其特点。实验结果表明:腔口位置与腔深是影响水射流端面形态的重要因素；生成的高速水射流冲击壁压峰值满足水锤理论。基于腔内爆炸的高速水射流实验方法能够应用于包括水下爆炸气泡射流在内的高速水射流形态、壁压特性的研究。     

简单Green函数法模拟三维水下爆炸气泡运动

假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的，运用势流理论导出气泡边界面运动的控制方程，采用高阶曲面三角形单元离散了维气泡表面，用边界积分法求解气泡的运动．并将计算结果与Rayleigh-Plesset气泡模型和试验数据进行对比分析，分析结果表明高阶曲面单元能够高精度的模拟水下爆炸气泡运动，且比线性单元有多方面的优越性．分别模拟了有、无重力场和刚壁时对气泡运动的影响，并预测了气泡在流场中膨胀、坍塌、迁移、射流形成等苇要动力学行为，同时建立了水下爆炸气泡与圆柱简相互作用的三维模型，模拟了自由液面、圆柱筒附近三维气泡的动力学特性．     

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。     

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.     

不同环境下气泡脉动特性实验研究

水下爆炸气泡对舰船结构造成严重的毁伤, 海上实船爆炸实验是考核水下爆炸气泡对舰船毁伤威力最直接、最有效的方法, 然而真实情况的舰船水下爆炸实验难以进行.为此, 在已有研究成果的基础上, 设计实验电路, 利用电容在相对较低的电压下放电打火产生的电火花气泡来模拟水下爆炸气泡, 设计多组实验工况来模拟气泡在不同环境下的运动特性. 研究气泡在不同环境下的脉动特性、射流特征, 揭示一些特殊的实验现象, 总结环境对气泡运动的影响规律.      

气泡多周期运动时引起的流场压力与速度

假设水下爆炸气泡的内部气体在膨胀收缩过程中满足绝热条件,周围流体无黏无旋不可压缩. 基于势流理论,采用边界元法研究气泡动力学行为,重点关注气泡引起的流场脉动载荷以及滞后流特性,给出了相关的理论推导和数值计算方法. 通过将数值结果与解析解、实验值进行对比,数值模型的收敛性和有效性能够得到保证. 利用编写的程序进行计算和分析,发现在气泡加速膨胀阶段,流场压力在气泡径向不一定是逐渐衰减,还有可能以先增后减的规律变化;气泡射流后,为了能够继续描述环状气泡的运动以及流场特性,将此时的流场分为无旋场和一个布置在气泡内部涡环的叠加,计算过程中采用了一些数值技巧处理气泡的拓扑结构,得以连续模拟多个周期的气泡运动. 环状气泡具有相对较高的上浮迁移速度,而且在其顶部和底部附近分别形成两个高压区,顶部的高压区峰值相对较大,底部的高压区范围相对较大. 环状气泡中心轴上的流场速度会在气泡中心有一个加速过程,在气泡顶部附近又迅速减小.      

NUMERICAL ANALYSIS ON THE VELOCITY AND PRESSURE FIELDS INDUCED BYMULTI-OSCILLATIONS OF AN UNDERWATER EXPLOSION BUBBLE

假设水下爆炸气泡的内部气体在膨胀收缩过程中满足绝热条件,周围流体无黏无旋不可压缩. 基于势流理论,采用边界元法研究气泡动力学行为,重点关注气泡引起的流场脉动载荷以及滞后流特性,给出了相关的理论推导和数值计算方法. 通过将数值结果与解析解、实验值进行对比,数值模型的收敛性和有效性能够得到保证. 利用编写的程序进行计算和分析,发现在气泡加速膨胀阶段,流场压力在气泡径向不一定是逐渐衰减,还有可能以先增后减的规律变化;气泡射流后,为了能够继续描述环状气泡的运动以及流场特性,将此时的流场分为无旋场和一个布置在气泡内部涡环的叠加,计算过程中采用了一些数值技巧处理气泡的拓扑结构,得以连续模拟多个周期的气泡运动. 环状气泡具有相对较高的上浮迁移速度,而且在其顶部和底部附近分别形成两个高压区,顶部的高压区峰值相对较大,底部的高压区范围相对较大. 环状气泡中心轴上的流场速度会在气泡中心有一个加速过程,在气泡顶部附近又迅速减小.     

复杂边界附近气泡的动态特性研究

本文假设气泡周围流场为无粘、无旋、不可压缩的理想流体,基于势流理论,运用边界元法模拟近边界水下爆炸气泡的动力学特征,建立气泡、壁面以及自由面三者之间复杂耦合动力学模型,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(EMT),避免因网格扭曲而导致的数值发散,开发相应的三维计算程序,并与自由表面附近气泡运动的实验数据进行对比分析,计算结果表明本文的计算方法及程序具有较高的精度.在此基础上,用本文开发的三维程序模拟了单个及多个气泡与自由表面及圆筒等复杂边界的相互作用,其中包括水面漂浮结构和水下结构,气泡在自由表面及结构的联合作用下呈现出强非线性.本主文旨在为相关复杂边界附近气泡动力学特性研究提供参考.     

主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.      

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.     

固壁空蚀数值研究

空蚀是空泡在固壁附近溃灭对固壁材料产生破坏的现象。本文将空泡界面假设为自由面，并由VOF(Volume of Fluid)中界面构造精度较高的Youngs方法求解，通过直接计算原始变量的Navier-Stokes方程，数值模拟了空泡距固壁不同位置时溃灭对固壁造成的空蚀破坏。计算发现空泡溃灭产生高压脉冲相对于高速射流对空蚀形成起主导作用；空泡在流场中位置不同，高压脉冲对固壁上的空蚀破坏结果不同，并给出了距离界限。     

舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果

为研究水下爆炸气泡载荷对船舶局部结构的毁伤效果,设计建造了实尺度舱段模型,并进行水下 爆炸实验,测量了水中压力、气泡脉动周期、舱段外板结构的动应变与塑性变形。分析了不同冲击因子作用下 舱段结构的动态响应,并结合水中压力测量结果,探讨了气泡射流的成因。在此基础之上,分析了气泡射流载 荷的影响范围以及外板在不同载荷作用下的毁伤模式。实验结果表明,相比冲击波载荷,在某些情况下射流 冲击载荷引起的结构响应更剧烈,毁伤效果更严重,因此在中近场水下爆炸作用下,气泡射流冲击载荷对船体 结构的影响不能忽视。     

Vortex ring modelling of toroidal bubbles

During the collapse of a bubble near a surface, a high-speed liquid jet often forms and subsequently impacts upon the opposite bubble surface. The jet impact transforms the originally singly-connected bubble to a toroidal bubble, and generates circulation in the flow around it. A toroidal bubble simulation is presented by introducing a vortex ring seeded inside the bubble torus to account for the circulation. The velocity potential is then decomposed into the potential of the vortex ring and a remnant potential. Because the remnant potential is continuous and satisfies the Laplace equation, it can be modelled by the boundary-integral method, and this circumvents an explicit domain cut and associated numerical treatment. The method is applied to study the collapse of gas bubbles in the vicinity of a rigid wall. Good agreement is found with the results of Best (J. Fluid Mech. 251 79–107, 1993), obtained by a domain cut method. Examination of the pressure impulse on the wall during jet impact indicates that the high-speed liquid jet has a significant potential for causing damage to a surface. There appears to be an optimal initial distance where the liquid jet is most damaging.