超声场中空化气泡运动与融合的理论分析和试验研究

发布时间：2018-07-13 07:51

【摘要】：尾流自导鱼雷具有很好的抗干扰能力和较高的导引精度,命中率高,毁伤效果好。但是目前对尾流自导鱼雷缺乏有效的防御措施,发展尾流自导鱼雷防御技术迫在眉睫。在现有的防御尾流自导鱼雷的方法中,有一种消隐舰船尾流的方法,它以超声场中气泡的运动和融合作为基本理论基础,即利用超声能量使舰船尾流中气泡的大小、分布和密度发生改变,从而达到消除或者减少尾流自导鱼雷对舰船尾流可探性测特征的目的。本文在此基础上,采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,围绕超声作用下气泡的运动,不同参数对气泡之间的次Bjerknes力的影响,以及超声场中气泡的融合理论进行研究,具体内容包括：1、当超声频率为22.4kHz,超声声压为10kPa-.40kPa时,对气泡在超声场中的运动进行了试验研究。结果表明当气泡相距较远时,气泡之间的相对位置变化比较小；当气泡相距较近时,气泡之间的相对位置变化比较大。用两个气泡之间的相对加速度间接衡量气泡之间的次Bjerknes力,得到气泡之间的次Bjerknes力有一个作用距离阈值,即当气泡之间的距离小于一定程度时,气泡之间的次Bjerknes力才会发挥作用,而且当两个气泡的半径都小于共振频率半径时,气泡之间的作用距离阈值会随着超声声压的增大而增大。对两个气泡在不同频率20kHz-100kHz作用下的运动做了试验研究,结果表明：在不同的超声频率下,气泡的运动明显不同,频率比较高时,气泡之间的相对位置变化比较大,并且气泡的运动与两个气泡的半径和气泡之间的相对距离密切相关。对在超声声压为10kPa-120kPa,超声频率为20kHz-100kHz时,气泡融合的试验研究表明：在超声声压为30kPa时,气泡接触以后的形状和气泡之间的薄膜间隙变化不明显,而在超声声压为120kPa时,气泡的形状变化特别明显,尤其是可以明显的观察到气泡之间薄膜间隙的变化。另外,在超声频率比较低时,气泡接触以后,气泡之间相对位置几乎不发生变化,但是在高频率时,气泡之间相对位置会围绕两个气泡的中心而发生旋转。2、采用耦合的气泡振动和移动方程对超声场中气泡的运动进行了数值模拟,得到两个气泡在超声场中的运动轨迹,并对气泡运动过程中所受的力进行了分析。当气泡之间的距离比较远时,浮力和主Bjerknes力占主导作用；当气泡之间的距离比较小时,次Bjerknes力将发挥比较大的作用。研究了超声声压、超声频率、气泡的初始半径以及气泡之间的距离对气泡之间的次Bjerknes力的影响。当两个气泡的半径都小于或者都大于共振频率半径时,气泡之间的次Bjerknes力随着声压的增大而增大；当两个气泡的半径处于共振频率半径之间时,气泡之间的力为排斥力,并且也随着声压的增大而增大；当两个气泡的半径在共振频率半径之间,并且更接近于共振频率半径时,气泡之间的力在声压比较小时为吸引力,随着声压的增大变为排斥力。而超声频率、气泡的初始半径和气泡之间的距离对两个气泡之间的次Bjerknes力的影响没有明显的趋势,同时对上述因素对气泡之间的次Bjerknes力进行理论分析,结果表明上述因素主要通过影响气泡之间的振动相位和振动幅度而引起气泡之间的作用力的变化。3、对不同超声声压10kPa-100kPa和不同超声频率20kHz-100kHz作用下从试验中得到的气泡融合时间与在没有超声作用下理论计算时间进行对比分析,结果表明在不同超声声压作用下,气泡的融合时间都远远大于在没有超声作用时的理论计算时间,并且两个气泡的融合时间会随着超声声压的增大而增大。而在不同超声频率作用下,气泡的融合时间都远远大于在没有超声作用时的理论计算时间,但是气泡的融合时间与超声频率频率之间没有看出明显的趋势。与在没有超声作用下气泡的融合相似,两个气泡的半径会影响气泡的融合时间,并且两个气泡的融合时间与两个气泡的等效半径成正比。在理论分析的基础上对在超声作用下影响两个气泡的融合两个最重要因素进行分析,结果表明,在不同声压和频率作用下,两个气泡之间的次Bjerknes力和两个气泡的最大径向速度都会影响气泡的融合,并且两个气泡的融合时间会随着两个气泡之间的次Bjerknes力和两个气泡的最大径向速度增大而增大。超声影响气泡的融合主要原因为当两个气泡振动为同相时,气泡之间的液体薄膜间隙会变薄,而当两个气泡振动为异相时,气泡之间的液体薄膜间隙会变厚,这会破坏气泡的正常排水过程,从而最终影响气泡的融合。
[Abstract]:This paper studies the movement and fusion of bubbles in the wake of the ship by using ultrasonic energy . The results show that when the ultrasonic frequency is 22.4 kHz and the ultrasonic sound pressure is 10 kPa - . 40kPa , the motion of bubbles in the supersonic field is studied .
When the ultrasonic sound pressure is 10 kPa to 120 kPa and the ultrasonic frequency is 20 kHz to 100 kHz , the relative position between the bubble and the bubble increases with the increase of the ultrasonic sound pressure .
The effect of ultrasonic sound pressure , ultrasonic frequency , the initial radius of the bubble and the distance between the bubbles on the Bjerknes force between the bubbles is studied . The Bjerknes force between the bubbles increases with the increase of sound pressure when the radius of the two bubbles is smaller than or larger than the resonance frequency radius .
when the radius of the two bubbles is between the resonance frequency radii , the force between the bubbles is repulsive force and also increases with the increase of the sound pressure ;
The fusion time of bubbles is much larger than the theoretical calculation time under the action of ultrasound . The results show that the fusion time of bubbles is much larger than the theoretical calculation time in the absence of ultrasound .
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TJ630;U674.70

【参考文献】