DYNAMICAL BEHAVIORS OF DOUBLE CAVITATION BUBBLES UNDER ULTRASONIC HONING

为了探讨超声珩磨作用下磨削区的空化机理,基于速度势叠加原理,考虑超声珩磨速度和珩磨压力,建立了磨削区两空化泡的动力学模型. 数值模拟了磨削区空化泡初始半径、两空化泡间距、超声声压幅值、珩磨压力、珩磨头转速对磨削区两空化泡动力学特性的影响. 研究表明,考虑两空化泡之间的相互作用时,要想获得良好的空化效果,可将两空化泡初始半径之比控制在3 倍以内;选择较高的超声波声压幅值与较低的珩磨压力,并且使超声波声压幅值与珩磨压力和液体静压力之差介于0.66~1.89MPa 之间;增大珩磨头转速空化泡溃灭也略有加速;通过试验测量材料表面粗糙度的方法间接验证了理论分析的合理性.     

超声驱动下激励参数对单泡空化振动的影响

根据考虑了液体可压缩性的改进的微气泡动力学方程,采用改进的初始半径对单泡超声空化现象进行了数值计算研究.结果表明,微气泡振动对一些参量很敏感:微气泡振动半径与初始半径的比值随振动频率的增大而减小;提高声场声压会加剧气泡崩塌程度,但过高的声压又不能使微气泡崩塌;微气泡崩塌速率随气泡初始半径的增加而增大,在一定范嘲内能保证空化泡稳定振动,在初始半径为1.6μm处空化程度最强,如果继续增大初始半径则空化程度减弱、甚至消失;微气泡崩塌程度随黏滞系数和表面张力的增大而减弱,过大的黏滞系数和表面张力会使微气泡崩塌难以发生.计算结果与他人的实验数据相比,发现液体的可压缩性使单泡空化强度增强,对最佳空化区域范围的确定有较大的影响.     

nfluence of exciting parameters on the vibration of single cavitation bubble driven by intensive sound

根据考虑了液体可压缩性的改进的微气泡动力学方程,采用改进的初始半径对单泡超声空化现象进行了数值计算研究. 结果表明,微气泡振动对一些参量很敏感：微气泡振动半径与初始半径的比值随振动频率的增大而减小;提高声场声压会加剧气泡崩塌程度,但过高的声压又不能使微气泡崩塌;微气泡崩塌速率随气泡初始半径的增加而增大,在一定范围内能保证空化泡稳定振动,在初始半径为1.6\,$\mu$m 处空化程度最强,如果继续增大初始半径则空化程度减弱、甚至消失;微气泡崩塌程度随黏滞系数和表面张力的增大而减弱,过大的黏滞系数和表面张力会使微气泡崩塌难以发生. 计算结果与他人的实验数据相比,发现液体的可压缩性使单泡空化强度增强, 对最佳空化区域范围的确定有较大的影响.     

超声波作用下气泡的非线性振动

Flynn方程在引入泡内气体的压缩性修正后能够更好地描述超声波作用下液体内气泡的非线性振动。我们以此为基础通过数值分析得到了不同初始半径的气泡在同一声场中的振动位移时间图像和相轨迹,发现气泡的运动行为对其初始状态有很强的依赖关系,在频率为26.5 kHz,幅度为1.35 atm的声波作用下,初始半径小于1 μm的气泡作小幅受迫振动,大于200 μm的气泡作小幅准本征振动,不具备空化气泡特征。声场中的小气泡对声波强度变化的反应更为激烈,当增加声强度时,可将一定范围内的小幅受迫振动气泡转化为空化气泡,并且,当驱动声波压力幅值增加时,初始半径越小的气泡的最大位移增加幅度越大。驱动声波频率同样影响气泡的振动。随着声波频率的升高,空化气泡的初始半径取值区间越来越小,空化振荡也越来越弱。本文还通过高速摄影系统对换能器作用于未除气的自来水所引起的变化进行了实验研究,结果表明,超声波作用下液体内的气泡场是一个混合场,场内气泡尺寸呈一定的分布状态,不仅有空化气泡,还有毫米级的大气泡。气泡的运动行为直接影响空化效果。超声空化场是一个复杂的物理场,场内除了有气泡的振动外,还有气泡间的相互吸引、碰撞和结合。      

基于路径映射的埋入混凝土中PZT声能特性分析

利用ANSYS中路径映射方法将压电陶瓷辐射超声波的声压值分布映射到对应的路径上;通过改变路径和角度,并提取数据,分析在79k Hz频率下埋入混凝土中的压电陶瓷进行超声无损检测时声场声能量特性的变化规律。研究结果表明:随着压电陶瓷辐射的声场中扩散角逐渐增加,散射区域增大,声压下降,声能衰减均呈非线性变化,且半扩散角为60°时,声能衰减速度相对较慢;随着压电陶瓷辐射声波传播的距离增大,最大声压和最小声压分布也在发生非线性变化,当半径大于0.09m时,最大声压对应的位置偏离主声轴;当路径对应的半径小于0.08m时,最小声压值对应角度变化较小;当路径对应的半径大于0.08m时,角度变化幅度比较大,大体上是在45°~61°范围内变化;等长度地增加路径对应的半径时,超声波的声能并不是等量减小而是开始时衰减最快,然后逐渐减小。     

考虑空化影响的水润滑橡胶合金轴承冲蚀磨损研究

用计算流体力学方法,数值模拟水润滑轴承空化-冲蚀交互作用时气液固三相流场的动力学特性(压力场、速度场、气含率分布),然后在水润滑轴承摩擦磨损装置上,进行试件磨损试验,并观察试件表面形貌.结果表明:考虑空化影响后,水润滑轴承整个流场压力分布更接近实际;数值模拟所得的流场压力、速度、气含率最大值,均出现在发生空化的位置附近,其余位置基本不变,说明交互磨损比单一磨损严重.观察试件表面磨痕,存在短程犁沟、空蚀针孔、麻点状气蚀坑和蚀坑,磨痕呈现规律性,磨痕与轴转速的方向基本一致.试验结果和数值计算吻合较好,证明了理论分析的正确与合理.上述仿真与试验初步探讨了水润滑轴承空化与冲蚀交互作用的磨损机理与影响因素.     

水下爆炸近壁面流场局部空化形成机理

为深入认识水下爆炸近壁面流场局部空化的形成机理，采用自行研制的转镜式分幅相机，获得了炸药水下爆炸近壁面流场局部空化效应的光学图像，结合数值模拟和Taylor平面波理论、空泡动力学理论，分析了近壁面空化效应的形成过程。结果表明：界面反射的稀疏波作用和水中空化核的膨胀发展是水下爆炸近壁面流场空化效应形成的原因；外界流场压力对空泡初期膨胀运动影响较小，对空泡后期运动行为影响较大；低压环境下不同尺度空泡的运动行为存在较大差异，小尺度空泡（半径小于10μm）在低压环境下处于快速膨胀、溃灭状态，对流场空化影响较小；大尺度空泡（半径大于10μm）可失去稳定性，半径持续增大，对流场空化区的形成影响较大；水中不同尺寸空泡空间分布的随机性可导致空化区成长过程中呈现非规则形状。     

绕水翼超空化流动形态与速度分布

为揭示超空化流场结构特性,利用高速全流场显示技术,观察了绕hydronautics水翼的超空化流动形态,并利用数字粒子图像测速仪(DPIV)测量了其速度分布. 在测量空穴内部流速分布时,采用空化流场中的空化泡作为示踪粒子来显示流动结构. 结果表明:随着空化数的降低,超空化流动显现出了明显的阶段特征,其中水汽混合相和汽相的分布决定了空化区域的形态与流速分布;空化区和主流区的汽液交界面处存在着较大的速度梯度;低速分布区域随着空化数的降低由水翼吸力面中后部向水翼下游移动;在空化区域内部,水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布.关键词超空化水翼、DPIV、高速摄像、空化形态、流速分布      

SOUND ABSORBING PROPERTY OF POROUS METAL MATERIAL AT HIGH TEMPERATURE AND HIGH SOUND PRESSURE LEVEL

在多孔金属材料的湍流统计理论的基础之上, 考虑温度高声压对多孔材料声学参数的影响, 得到适用于高温高声压条件下多孔金属材料的分析模型. 计算了不同温度和不同声压级条件下声压幅值与金属纤维直径、孔隙率等物理参数的关系. 研究发现其他参数不变, 在高温条件下, 随温度升高多孔金属材料的声压幅值增大; 在高声压条件下, 随着声压的升高多孔金属材料的声压幅值增大. 所得理论结果与已有的实验中的规律符合良好,为多孔金属材料在高温、高声压条件下的减振降噪设计提供了理论基础.     

基于行波型超声马达的超声波振动减摩试验研究

提出了行波型超声马达振动减摩的几何模型,采用电磁电机驱动、电磁电机结合一路驻波振动驱动及行波型超声马达驱动3种驱动方式模拟行波型超声马达摩擦驱动特点,借助超声马达摩擦特性模拟试验装置,引入摩擦系数降低率的概念,研究了电机转速、预压力、超声波激励电压和摩擦材料等对定、转子摩擦副摩擦系数的影响.结果表明:在较高相对滑动速度、小预压力及大振幅条件下,超声波振动减摩现象显著.     

多沟槽水润滑橡胶合金轴承润滑特性研究

建立了考虑多沟槽润滑结构和实际工况边界条件的水润滑橡胶合金轴承弹流润滑数学模型,数值计算了有无沟槽以及沟槽半径对润滑性能的影响.计算结果表明：沟槽对水润滑橡胶合金轴承润滑性能影响显著,即在沟槽处膜厚较大,压力较低,而在承载区膜厚较小,压力较高,周向方向上压力分布不连续,并且在最小膜厚处轴向方向的入口和出口附近出现了两个压力峰值;水膜压力和最小膜厚均随沟槽半径的增大而减小;承载能力随偏心率增大而增大,随沟槽半径和过渡圆弧半径的增大而减小;摩擦系数随转速增大而略有增大,随沟槽半径的增大显著增加.     

考虑空化效应的螺旋槽机械密封液膜动力学特性研究

考虑液膜空化效应的影响，研究螺旋槽液体润滑机械密封的动力学特性. 基于液体润滑理论和小扰动法，建立了考虑液膜空化的密封微扰膜压控制方程，采用有限单元法对端面液膜三自由度微扰下的液膜刚度和阻尼系数进行了数值求解，分析了不同参数对液膜密封动力系数的影响. 螺旋槽深度在10 μm左右、槽坝比在0.75左右、槽宽比在0.4左右，螺旋角在9°左右时液膜具有最大的轴向和角向刚度系数. 螺旋槽深度在5 μm左右、槽宽比在0.6左右、螺旋角在20°左右时，两角向交叉阻尼绝对值最大. 初始偏角的存在使密封压力呈现非对称性，从而使两角向动力系数绝对值不再相等. 液膜轴向刚度k_zz在数量级上远大于其余液膜刚度值，液膜轴向阻尼d_zz、角向阻尼d_αα和d_ββ远大于液膜其余阻尼值且随着转速和间隙的增大而减小.      

收缩扩张管内液氮空化流动演化过程试验研究

本文基于低温空化试验平台研究了收缩扩张流道内液氮非定常空化流动的演化过程. 试验采用高时空分辨率的高速摄像机对77 K液氮在不同空化数σ下空穴结构的演变进行了精细化的分析和研究. 利用试验得到的空穴长度和面积等数据, 定量分析了液氮空化流动的非定常特性与时空演变规律. 研究结果表明: (1)在相似来流速度和温度条件下, 随着空化数的减小, 液氮空化流动呈现四种典型流型, 空穴长度在2.5 h以内为初生空化、空穴长度在2.5 h ~ 7.5 h之间为片状空化、空穴长度在7.5 h ~ 15 h之间为大尺度云状空化, 空穴长度超过15 h为双云状空化, 且在大尺度云状空化和双云状空化阶段均捕捉到了回射流现象; (2)液氮空化流动从初生空化到双云状空化, 脱落空穴的尺度逐渐增大, 空穴面积脉动的幅值和准周期均有所增加. 同时, 在大尺度云状空化与双云状空化阶段, 喉口处堵塞效应对空化流动的影响显著增强; (3)相比于初生空化, 片状空化、大尺度云状空化以及双云状空化中脱落空穴的移动距离依次增加了0.97倍、2.65倍与2.68倍, 溃灭时间依次增加了1.18倍、3.59倍与4.47倍, 但溃灭速度依次减小了0.10倍、0.20倍与0.30倍. 除此之外, 对于双云状空化阶段, 存在两种显著不同的脱落空穴演化过程.      

球(柱)孔扩张问题的扩孔压力与扩孔半径分析

为研究无黏性土中沉桩扩孔和静力触探试验等岩土工程问题,采用Tresca准则对球(柱)孔扩张问题的扩孔压力和扩孔半径关系进行理论分析。以圆孔扩张理论为基础,利用弹塑性交界面处的边界条件建立平衡方程,推导出球(柱)孔扩张问题中塑性区半径rp与扩孔压力p和扩孔半径a的关系,并结合孔周土体体积变化规律,得到了初始半径a0、扩孔半径a和对应的扩孔压力p三者之间的理论关系;同时为判断孔周围土体是否进入弹塑性状态,确立了可由扩孔半径a判定的公式。此外,基于上述理论公式推导出了不排水条件下球(柱)孔扩张的应力场、位移场和扩孔压力极限值pu。分析结果表明:同一初始状态下,扩孔压力p随初始半径a0与扩孔半径a的比值而变化;且塑性区半径rp仅与扩孔半径a的变化有关;当扩孔半径a大于某一定值时孔周土体进入弹塑性状态。最后通过算例分析,对球(柱)孔扩张中应力场和位移场分布、塑性区半径、扩孔压力以及扩孔压力极限值的变化规律进行了分析。     

COMBINATION RESONANCES OF AN AXIALLY MOVING UNIDIRECTIONAL PLATE PARTIALLY IMMERSED IN FLUID WITH TIME-DEPENDENT AXIAL SPEED1)

论文研究了时变速度作用下局部浸液板的组合共振动力学特性。基于Von Kármán大挠度板理论,考虑流固耦合、轴向张力、轴向时变速度等因素,建立局部浸液板的非线性动力学方程,并应用Galerkin法将进行离散,获得模态坐标上的非线性方程组。分别采用多尺度法和数值方法分析了平均速度、脉动速度、张力等参数对系统非线性动力学特性的影响。结果表明：系统发生组合共振时,展现出复杂的动力学行为;第一阶模态响应幅值远大于第二阶模态响应幅值;平均速度、脉动速度幅值对系统幅频响应曲线的影响较为显著。     

下游泵送螺旋槽密封空化试验及性能分析

基于自主设计的可视化试验装置及膜温和膜厚测量方法,对下游泵送螺旋槽密封空化特征及性能参数进行试验研究.探讨了油压和转速对不同螺旋槽密封液膜中空穴发生位置、空穴分布及空穴边界的影响,拟合了不同螺旋槽密封空穴边界的试验关系式,并对不同空化模型的理论泄漏量和膜厚与相应试验值进行了对比分析.结果表明:内槽型和中槽型密封的空穴均发生在螺旋槽内,但两者的空穴区形状明显不同;油压的增加有助于抑制液膜中空穴的发生,而转速的增加反之;尤其是内槽型,油压对其空穴发生影响更为显著;在低转速或高油压时,Reynolds和JFO两空化模型均可用于预测泄漏量和膜厚;在高转速或低油压时,JFO空化模型预测值更准确,而Reynolds空化模型预测值偏大.     

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

基于广义SMP准则的球孔扩张理论解及其应用

通过广义空间滑动面(广义SMP)准则,结合非相关联流动法则对球孔扩张问题进行了理论分析。利用应力不变量推导了符合黏性土中球孔扩张的屈服准则;通过弹塑性区边界条件,推导了孔周土体应力场和考虑剪胀角影响的应变场、位移场。利用体积守恒和塑性区平均体应变表达式,推导出扩孔压力p与初始孔半径a0、扩孔后半径a三者之间的理论关系式,通过该关系式给出了求解球孔扩张问题的具体方法和极限扩孔压力pu的计算式。此外,运用镜像法推导了考虑半无限空间下的压密注浆挤土竖向位移计算公式。最后通过算例分析了球孔扩张问题中应力场分布、不同剪胀角下位移场分布,以及扩孔后半径a对塑性区半径rp和扩孔压力p的影响规律。结果表明,剪胀角是球孔扩张问题中的一个重要参数,随着剪胀角增大,径向位移减小,塑性区半径和扩孔压力均增大。     

考虑气核生长溃灭效应的螺旋桨梢涡空化初生数值模拟研究

梢涡空化是螺旋桨最早发生的空化类型,其一旦发生会显著增强舰船辐射噪声水平.因此,螺旋桨梢涡空化初生的预报是军舰临界航速确定的关键,长期以来受到船舶领域诸多专家学者的重点关注.微观气核受涡心低压作用而发生暴发式生长是梢涡空化初生的重要机制,而传统欧拉框架下的宏观空化模型用经验参数模化了微观气核的影响而无法对该过程准确模拟,影响对螺旋桨空化初生的准确预报.为了弥补传统模拟方法的不足,本研究发展并使用一种基于气泡动力学并考虑水相可压缩效应的欧拉-拉格朗日空化初生数值预报方法对螺旋桨梢涡空化初生进行了数值模拟研究.与实验结果对比表明,该模型能够准确地预报螺旋桨梢涡空化初生.此外,本研究不仅从微观气核角度探究不同来流气核尺寸对空化初生的影响,还进一步研究梢涡流动特性对气核演变的影响机制,初步探究初生空化在螺旋桨梢涡流场中的发声机理.在空化初生光学判断准则下尺寸越大的气核越容易被梢涡捕获而暴发式生长.气核在梢涡卷吸作用下逐渐靠近涡心低压区.在涡心低压区的持续作用下气核开始暴发式生长,并在半径达到最大后迅速收缩溃灭,产生强烈的正声压脉冲信号.