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.     

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。     

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.     

水下爆炸柱形高压气泡膨胀过程的RGFM和高精度格式数值模拟

为了对柱形装药水下爆炸高压气泡膨胀过程进行三维数值模拟,用level set方法追踪气水界面,详细描述了精确对柱形气泡进行level set建模;对于流场,使用Euler方程描述,并用高精度格式(五阶WENO和四阶R-K法)离散空间项和时间项;对于level set方程,使用五阶HJ-WENO离散;用RGFM处理气水界面附近网格节点。给出了水下流场不同时刻的压力云图、柱形高压气泡的形状演变以及流场中几个指定点的压力峰值。通过三维建模和计算验证,用RGFM结合高精度格式可以很好地对柱形高压气泡膨胀问题进行三维数值模拟,同时也可以较精确地追踪高密度比、高压力比的三维气水界面。计算结果表明,柱形高压气泡在膨胀过程中,形状逐渐向椭球形变化;位于固壁附近的柱形高压气泡受固壁反射波的影响,在固壁法线方向上的膨胀会受到抑制;双圆柱形高压气泡膨胀产生的冲击波,可以彼此抑制对方的膨胀。     

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．     

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.     

单个三维气泡的动力学特性研究

模拟了单个气泡在重力场作用下动态特性,假设流场为无粘、无旋且不可压的理想流体,采用三角形单元离散流场边界,并用边界积分法求解流场,用Mixed-Eulerian-Lagrangian方法模拟气泡的演化,并在必要的时候采用三维光顺方法对气泡表面及其速度势分布进行光顺,使计算程序更准确,更稳定.在分析过程中,将本文三维模型的计算结果与Rayleigh-Plesset气泡模型及试验数据进行对比分析,三维模型的计算值与精确解及实验数据吻合很好,表明本文方法及计算模型具有较高的精度,并通过对比改变不同物理参数时对气泡运动周期及射流速度的影响,得出一些规律性的曲线,旨在为相关的水下气泡动力学分析提供参考.     

激波冲击SF6重气泡引发射流的数值模拟

为深入研究重气泡内激波聚焦和射流生成的机理,采用高精度计算格式和高网格分辨率对马赫数为1.23的平面入射激波与SF₆重气泡的作用过程进行数值模拟,计算结果与文献中实验吻合较好。结果显示:入射激波在重气泡内首先在流向上汇聚形成上、下对称的高压区,随后,这对高压区在SF₆重气泡中心对称轴处再次碰撞,完成激波聚焦过程,并在气泡下游界面附近形成远大于初始压力和密度的局部高压高密度区,体现出SF₆重气泡极强的聚能效应;激波聚焦还引起气泡下游界面附近的涡量变化,涡对的旋转能够加速射流形成与发展。因此,SF₆重气泡下游界面附近的高压区和涡量分布对形成射流结构均有促进作用。     

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.     

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.     

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。     

Study of periodically excited bubbly jets by PIV and double optical sensors

Interactions between large coherent structures and bubbles in two-phase flow can be systematically observed in a periodically excited bubbly jet. Controlled excitation at fixed frequency causes large eddy structures to develop at regular intervals. Thus, interactions between large vortices and bubbles can be studied with PIV and double optical sensors (DOS) using phase-averaging techniques. A number of results on the time and space dependence of velocities and void fractions are presented revealing physical interactions between the liquid flow field and bubble movement as well as feedbacks from bubble agglomeration on the development of flow structures. A clear indication of bubble trapping inside the vortex ring is the generation of a bubble ring that travels with the same velocity as the vortex ring. The DOS results indicate clustering of the bubbles in coherent vortex structures, with a periodic variation of void fraction during the excitation period.     

近自由面的多个水下爆炸气泡相互作用研究

将气泡运动阶段周围的流场假设为无黏、无旋、不可压缩的理想流体,运用边界积分法模拟流场中气泡的运动,并开发了三维计算程序,计算值与实验值吻合较好.用该方法模拟了近自由面多气泡之间的相互作用,包括同相气泡和异相气泡. 通过计算发现,气泡的周期随两气泡中心的距离减小而增大,这是由于多气泡之间存在抑制作用,特别是对异相气泡,这种抑制作用更加明显,称之为多气泡之间的抑制效应. 无论有、无自由面存在,多气泡之间均存在抑制效应,由于抑制效应导致同相与异相气泡相互耦合作用的动态特性存在巨大的差异,这些现象可为将来研究多个同时或延时产生的水下爆炸气泡的威力提供参考.      

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.      

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.      

气泡射流载荷作用下圆柱壳动态响应

为了解药包在距离结构较近时水下爆炸气泡对水中结构冲击的影响,假设圆柱壳结构附近气泡的位移为自由场中气泡由于浮力产生位移和圆柱壳对气泡吸引产生位移的和,并建立了简化射流模型,对射流冲击下圆柱壳板架所产生的毁伤效应进行研究,分析了破坏形式,拟为水下爆炸气泡射流对船体的毁伤提供参考。