水下粘性氣泡(空泡)運(yùn)動(dòng)和載荷特性研究.pdf

1、氣泡(空泡)在流體中的運(yùn)動(dòng)學(xué)形態(tài)和動(dòng)力學(xué)特性一直是流體力學(xué)、環(huán)境工程、醫(yī)學(xué)和船舶與海洋工程等多種領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,其與水中結(jié)構(gòu)的流固耦合效應(yīng)以及對(duì)結(jié)構(gòu)的載荷特性也是工程上關(guān)心的問(wèn)題。僅以船舶與海洋工程領(lǐng)域?yàn)槔?較著名的氣泡(空泡)現(xiàn)象就有螺旋槳空泡、水下爆炸氣泡和氣泡減阻技術(shù)中的微氣泡等。隨著氣泡(空泡)工程應(yīng)用的廣泛,人們對(duì)氣泡和空泡動(dòng)力學(xué)研究也更深入,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了更多新的問(wèn)題和挑戰(zhàn),如接觸爆炸中氣泡強(qiáng)非線性動(dòng)力學(xué)行為和射流載荷,減

2、阻技術(shù)中貼附于航行體表面粘性微氣泡的滑移和脫落等等。基于此,本文以船舶與海洋工程領(lǐng)域氣泡(空泡)應(yīng)用為工程背景,以粘性氣泡動(dòng)力學(xué)方程為核心,借助于物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模型,在相互驗(yàn)證有效性基礎(chǔ)上,研究不同背景流場(chǎng)(如尾渦、沖擊波)、不同邊界條件(如超近壁面、貼附壁面等)下氣泡的動(dòng)力學(xué)行為和載荷特性。
　　本文首先從理論解析、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值模擬三方面回顧了國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣泡動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展。理論解析方面給出了計(jì)入粘性效應(yīng)的球狀氣泡和圓環(huán)狀氣泡

3、的運(yùn)動(dòng)方程和坍塌時(shí)間;實(shí)驗(yàn)技術(shù)從高速攝影技術(shù)和毀傷載荷實(shí)驗(yàn)技術(shù)兩方面進(jìn)行了綜述;數(shù)值模擬主要關(guān)注邊界元法的進(jìn)展,具體而言又分為近壁面、貼附壁面、近自由面、重力場(chǎng)中、漩渦場(chǎng)中和沖擊波下氣泡動(dòng)力學(xué)行為六個(gè)方面。此外,總結(jié)了氣泡撕裂、融合和破裂等界面不穩(wěn)定現(xiàn)象,并綜述了可壓縮性、表面張力和粘性這三大影響氣泡行為的因素。在此基礎(chǔ)上闡述了目前研究中的薄弱環(huán)節(jié),為全文行文奠定了基礎(chǔ)。
　　從不可壓縮的Navier-Stokes方程入手,采用邊

4、界層理論,考慮了計(jì)及粘性效應(yīng)氣泡動(dòng)力學(xué)方程的改進(jìn)。基于粘性耗散能量等效原理,首先考慮附加法向應(yīng)力,其次引入粘性修正壓力替代附加切向應(yīng)力,使得法向應(yīng)力和切向應(yīng)力連續(xù)同時(shí)滿足,從而有效解決邊界層內(nèi)弱粘性效應(yīng)。分別建立了計(jì)入粘性修正的軸對(duì)稱和三維邊界元模型。將本文數(shù)值模型結(jié)果與球狀氣泡RP方程精確解和理論解析解對(duì)比,檢驗(yàn)本文數(shù)學(xué)模型的有效性。將數(shù)值結(jié)果與不考慮粘性效應(yīng)的氣泡行為進(jìn)行對(duì)比,分析不同參數(shù)下粘性效應(yīng)影響。
　　針對(duì)艦船尾渦流場(chǎng)

5、中的空泡,根據(jù)空泡是否被渦核捕獲,將整個(gè)數(shù)值過(guò)程分為準(zhǔn)球狀和非球狀兩個(gè)階段,對(duì)于準(zhǔn)球狀運(yùn)動(dòng)階段,可通過(guò)聯(lián)立球狀空泡RP方程和動(dòng)量定理求解氣泡體積脈動(dòng)和軌跡信息;對(duì)于非球狀運(yùn)動(dòng)階段,可應(yīng)用邊界元法求解空泡坍塌以及破裂等。將第一階段的輸出信息作為第二階段的輸入,從而完整模擬整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。將數(shù)值結(jié)果與前人實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,二者吻合良好。在此基礎(chǔ)上,一方面,改變氣泡運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程中各影響因素大小,考察如粘性、升力、滑移項(xiàng)等因素的影響規(guī)律;另一

6、方面,增加氣泡的數(shù)目和排列方式,獲得尾渦場(chǎng)中氣泡群的運(yùn)動(dòng)。
　　針對(duì)狹窄流域內(nèi)氣泡破裂現(xiàn)象,一方面,在前人基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)氣泡脈動(dòng)及破裂現(xiàn)象,借助水箱內(nèi)電火花發(fā)生氣泡裝置和高速攝影儀,記錄氣泡在兩壁面或圓筒形成的狹窄流域內(nèi)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程;另一方面,在前人軸對(duì)稱氣泡撕裂的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)三維氣泡撕裂模型和準(zhǔn)則,建立數(shù)學(xué)模型模擬該動(dòng)力學(xué)過(guò)程。將數(shù)值解與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,相互驗(yàn)證有效性的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地研究氣泡的對(duì)稱撕裂、非對(duì)稱撕裂和

7、環(huán)狀破裂等多種行為,流場(chǎng)中相關(guān)物理量和子氣泡射流、周期等變化,以及距離參數(shù)、長(zhǎng)度參數(shù)等無(wú)量綱參數(shù)的影響規(guī)律。
　　針對(duì)超近壁面處氣泡,在前人關(guān)于近壁面氣泡運(yùn)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)超近壁面(l￡0.5)軸對(duì)稱氣泡模型。在數(shù)值處理中,避免以往關(guān)于氣泡在超近壁面處膨脹后期的網(wǎng)格扭曲問(wèn)題;在射流沖擊時(shí)刻,引入“接觸射流切割技術(shù)”,獲得接觸射流沖擊壓力等信息,完整模擬超近壁面與氣泡相互作用。另一方面,采用電火花氣泡和高速攝影配合進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn),

8、獲得超近壁面處氣泡的脈動(dòng)圖像、體積變化、射流速度大小等信息,將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證程序的有效性。此外,借助氣泡融合模型,采用“鏡像法”模擬超近壁面氣泡的脈動(dòng),對(duì)比分析鏡像法與直接法的計(jì)算結(jié)果。采用電火花氣泡貼附船底攻擊縮比船?；蛳湫瘟?模擬接觸爆炸下復(fù)雜彈塑性船體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
　　針對(duì)貼附航行體物面滑移的氣泡,數(shù)值上提出對(duì)交界點(diǎn)特殊處理方法,使得固、氣、液三相交點(diǎn)同時(shí)滿足氣泡面與固壁面邊界條件。在驗(yàn)證程序收斂性基礎(chǔ)上

9、,以球頭圓柱體和橢球體為例,采用間接邊界元法計(jì)算流場(chǎng)速度、輔助函數(shù)法計(jì)算物體表面的壓力,分析附帶氣泡后物體的附加質(zhì)量、合外力、流場(chǎng)動(dòng)能等物理量的變化,并給出不同氣泡初始內(nèi)壓、尺寸和釋放位置等因素的影響。
　　針對(duì)沖擊波作用下的氣泡,假設(shè)沖擊波沖擊氣泡早期,即射流穿透氣泡表面前期,慣性力起主導(dǎo)作用,可壓縮性影響較弱,故在伯努利方程中引入時(shí)空變化的沖擊波壓力,修正原始邊界元法。在此基礎(chǔ)上,研究規(guī)則沖擊波、真實(shí)沖擊波和反射沖擊波作用下氣