水下粘性氣泡(空泡)運動和載荷特性研究.pdf

1、氣泡(空泡)在流體中的運動學(xué)形態(tài)和動力學(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)域的研究熱點之一,其與水中結(jié)構(gòu)的流固耦合效應(yīng)以及對結(jié)構(gòu)的載荷特性也是工程上關(guān)心的問題。僅以船舶與海洋工程領(lǐng)域為例,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,人們對氣泡和空泡動力學(xué)研究也更深入,同時也發(fā)現(xiàn)了更多新的問題和挑戰(zhàn),如接觸爆炸中氣泡強非線性動力學(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?；诖?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,以粘性氣泡動力學(xué)方程為核心,借助于物理實驗和數(shù)值模型,在相互驗證有效性基礎(chǔ)上,研究不同背景流場(如尾渦、沖擊波)、不同邊界條件(如超近壁面、貼附壁面等)下氣泡的動力學(xué)行為和載荷特性。
　　本文首先從理論解析、實驗技術(shù)和數(shù)值模擬三方面回顧了國內(nèi)外關(guān)于氣泡動力學(xué)的研究進(jìn)展。理論解析方面給出了計入粘性效應(yīng)的球狀氣泡和圓環(huán)狀氣泡

3、的運動方程和坍塌時間;實驗技術(shù)從高速攝影技術(shù)和毀傷載荷實驗技術(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、重力場中、漩渦場中和沖擊波下氣泡動力學(xué)行為六個方面。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,考慮了計及粘性效應(yīng)氣泡動力學(xué)方程的改進(jìn)?；谡承院纳⒛芰康刃г?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)。分別建立了計入粘性修正的軸對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比,檢驗本文數(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)行對比,分析不同參數(shù)下粘性效應(yīng)影響。
　　針對艦船尾渦流場

5、中的空泡,根據(jù)空泡是否被渦核捕獲,將整個數(shù)值過程分為準(zhǔn)球狀和非球狀兩個階段,對于準(zhǔn)球狀運動階段,可通過聯(lián)立球狀空泡RP方程和動量定理求解氣泡體積脈動和軌跡信息;對于非球狀運動階段,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,從而完整模擬整個運動過程。將數(shù)值結(jié)果與前人實驗值進(jìn)行對比,二者吻合良好。在此基礎(chǔ)上,一方面,改變氣泡運動學(xué)和動力學(xué)方程中各影響因素大小,考察如粘性、升力、滑移項等因素的影響規(guī)律;另一

6、方面,增加氣泡的數(shù)目和排列方式,獲得尾渦場中氣泡群的運動。
　　針對狹窄流域內(nèi)氣泡破裂現(xiàn)象,一方面,在前人基礎(chǔ)上自主設(shè)計物理實驗重現(xiàn)氣泡脈動及破裂現(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)的動態(tài)演化過程;另一方面,在前人軸對稱氣泡撕裂的基礎(chǔ)上,開發(fā)三維氣泡撕裂模型和準(zhǔn)則,建立數(shù)學(xué)模型模擬該動力學(xué)過程。將數(shù)值解與實驗值進(jìn)行對比,相互驗證有效性的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地研究氣泡的對稱撕裂、非對稱撕裂和

7、環(huán)狀破裂等多種行為,流場中相關(guān)物理量和子氣泡射流、周期等變化,以及距離參數(shù)、長度參數(shù)等無量綱參數(shù)的影響規(guī)律。
　　針對超近壁面處氣泡,在前人關(guān)于近壁面氣泡運動研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)超近壁面(l￡0.5)軸對稱氣泡模型。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)格扭曲問題;在射流沖擊時刻,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)行物理實驗,

8、獲得超近壁面處氣泡的脈動圖像、體積變化、射流速度大小等信息,將數(shù)值模擬與實驗值進(jìn)行對比,驗證程序的有效性。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,對比分析鏡像法與直接法的計算結(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)的動態(tài)響應(yīng)。
　　針對貼附航行體物面滑移的氣泡,數(shù)值上提出對交界點特殊處理方法,使得固、氣、液三相交點同時滿足氣泡面與固壁面邊界條件。在驗證程序收斂性基礎(chǔ)上

9、,以球頭圓柱體和橢球體為例,采用間接邊界元法計算流場速度、輔助函數(shù)法計算物體表面的壓力,分析附帶氣泡后物體的附加質(zhì)量、合外力、流場動能等物理量的變化,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、真實沖擊波和反射沖擊波作用下氣