近场气泡载荷下柔性结构耦合响应实验研究
发布时间：2021-06-07 11:05
通过电火花气泡装置和高速摄像设备对气泡与附近刚性/柔性边界间的耦合现象进行实验观测和研究。针对不同材质平板和不同距离参数下气泡脉动实验数据进行整理,对气泡动力学特性如撕裂现象、射流方向特性及气泡迁移特性等进行机理分析;并借助MATLAB开发图片数字化识别程序,分析总结了整个气泡脉动载荷下柔性板的整体运动响应模式和结构中心测点的响应特征。实验结果表明:气泡在柔性板附近收缩时出现"棒槌"状或气泡撕裂及远离对向射流现象;探究气泡载荷下柔性结构响应模式,发现气泡膨胀时柔性板呈一阶响应,收缩时呈现三阶响应及双峰值迁移现象。
【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
实验设备布置图
图5为不同距离参数下1 mm PVC板中气泡正上方测点位移随时间变化图。测点位移量主要通过基于MATLAB开发的摄像图形数字化识别程序测量得到,详细过程将在2.2节中给出。由图可知,随着气泡的收缩,在向外运动流场的作用下板向上运动,在气泡最大体积时达到最大幅值;气泡收缩时,结构受到气泡的吸引向下运动,反弹阶段时位移达到最小幅值。随着距离参数的增大,测点运动幅值减小。当距离参数较小时如γs=0.65时,结构响应的两个极值大小相近,结构出现近似等幅值的耦合运动。当γs=1.38时,结构响应幅值明显降低。由图可知:气泡仅在第一个周期内对板的变形及波动影响显著,此后随着气泡的撕裂板逐渐回到初始位置。PVC板附近气泡脉动时其形态变化的特征可以表述为:气泡膨胀过程中流场压力的变化使PVC板储存弹性能,在气泡收缩阶段PVC板将释放这部分能量,从而对气泡动力学特性产生影响,这一过程体现了气泡脉动与结构响应的耦合特性。钢板附近的气泡形成向上的射流;对于3 mm PVC板观察到气泡上下两侧出现明显的尾迹并呈现“棒槌”状。对于1 mm PVC板附近的气泡脉动与3 mm PVC板相比,气泡的形态更加复杂,均出现气泡撕裂和复杂射流的情况。原因可能在于1 mm 板的变形较大,气泡收缩阶段,板的回弹改变了气泡附近的压力场,形成收缩时的对向射流,最终导致气泡的撕裂。气泡撕裂后形成两个大小相近的同相位脉动气泡,并且两个气泡之间出现远离对向的射流。该现象仅在第一个气泡脉动周期内较为明显。由此可知:当考虑气泡与柔性结构耦合运动时,实验观察到复杂的射流现象、气泡撕裂现象和结构的耦合响应。表明当计算变形结构附近气泡脉动时需采用耦合模型,这和文献[20]的结论相符。
图7显示了γs=1.38时1 mm PVC板随着气泡演化的整体位移响应情况。横坐标为测点距中心点的距离,板产生的波动沿x方向几乎对称分布。t=1.16 ms时气泡达到最大体积,由图可知此时平板中心点处达到正向最大位移,周围测点同时向上运动,平板呈现一阶鞭状响应模式。t=1.55 ms时随着气泡的收缩,板进入回弹阶段开始向下运动,t=1.94 ms时,由于中部区域位移变化较快,邻近区域相对滞后,从而呈现出两个对称的双波峰状态,平板呈现三阶响应模式。t=2.13 ms时,峰值位置向两侧扩展且幅值逐渐减小,表明双峰值变化过程类似于向板两侧传递的且衰减的波。t=2.33 ms时除峰值外,板的其余测点均整体向下运动,中心处仍是反向最大位移,且双峰值持续向两侧传递。图8显示了γs=0.65时1 mm PVC板整体位移变化情况。板的整体运动模式与图7相近,就不再进行赘述。由图可知, t=1.07 ms时气泡达到正向最大位移,此时中心点的最大位移值为0.64 mm要明显大于图8的最大位移0.45 mm,因为随着距离参数的减小,气泡载荷作用下板的运动就越剧烈。t=1.55 ms时板整体向下运动,同时x=-15 mm和11.54 mm处均形成双峰波。t=2.33 ms时中心达到反向最大位移,远离中部区域的两侧部分则向上运动,同时峰值依波的形式向端波传递。t=2.81 ms时板进入回弹阶段,可见中心处向上运动,而靠近端点处的测点继续向下运动,仍可见位移双峰值现象。
【参考文献】：
期刊论文
[1]近场水下爆炸气泡射流载荷冲击船体外板的动响应分析[J]. 姜忠涛,李烨,庞学佳,王诗平. 振动与冲击. 2018(09)
[2]水下爆炸气泡与浮体结构相互作用的研究[J]. 王加夏,宗智,周力,姜明佐. 振动与冲击. 2016(12)
[3]圆形舭部附近气泡与自由面非线性耦合研究[J]. 田昭丽,刘云龙,高利峰. 振动与冲击. 2016(06)
[4]减压条件下近自由面气泡运动与水冢现象实验研究[J]. 崔杰,崔璞,周塞北,姚熊亮. 振动与冲击. 2015(19)
[5]不同沙粒底面下气泡脉动特性实验研究[J]. 张阿漫,肖巍,王诗平,程潇欧. 物理学报. 2013(01)
[6]舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果[J]. 崔杰,张阿漫,郭君,李世铭,黄超. 爆炸与冲击. 2012(04)
[7]水中爆炸气泡与水底边界相互作用的水射流现象[J]. 汪斌,张远平,王彦平. 爆炸与冲击. 2011(03)
[8]不同环境下气泡脉动特性实验研究[J]. 张阿漫,王诗平,白兆宏,黄超. 力学学报. 2011(01)
[9]水下爆炸气泡脉动特性的试验研究[J]. 朱锡,牟金磊,洪江波,黄晓明,李海涛. 哈尔滨工程大学学报. 2007(04)
本文编号：3216458
【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
实验设备布置图
图5为不同距离参数下1 mm PVC板中气泡正上方测点位移随时间变化图。测点位移量主要通过基于MATLAB开发的摄像图形数字化识别程序测量得到,详细过程将在2.2节中给出。由图可知,随着气泡的收缩,在向外运动流场的作用下板向上运动,在气泡最大体积时达到最大幅值;气泡收缩时,结构受到气泡的吸引向下运动,反弹阶段时位移达到最小幅值。随着距离参数的增大,测点运动幅值减小。当距离参数较小时如γs=0.65时,结构响应的两个极值大小相近,结构出现近似等幅值的耦合运动。当γs=1.38时,结构响应幅值明显降低。由图可知:气泡仅在第一个周期内对板的变形及波动影响显著,此后随着气泡的撕裂板逐渐回到初始位置。PVC板附近气泡脉动时其形态变化的特征可以表述为:气泡膨胀过程中流场压力的变化使PVC板储存弹性能,在气泡收缩阶段PVC板将释放这部分能量,从而对气泡动力学特性产生影响,这一过程体现了气泡脉动与结构响应的耦合特性。钢板附近的气泡形成向上的射流;对于3 mm PVC板观察到气泡上下两侧出现明显的尾迹并呈现“棒槌”状。对于1 mm PVC板附近的气泡脉动与3 mm PVC板相比,气泡的形态更加复杂,均出现气泡撕裂和复杂射流的情况。原因可能在于1 mm 板的变形较大,气泡收缩阶段,板的回弹改变了气泡附近的压力场,形成收缩时的对向射流,最终导致气泡的撕裂。气泡撕裂后形成两个大小相近的同相位脉动气泡,并且两个气泡之间出现远离对向的射流。该现象仅在第一个气泡脉动周期内较为明显。由此可知:当考虑气泡与柔性结构耦合运动时,实验观察到复杂的射流现象、气泡撕裂现象和结构的耦合响应。表明当计算变形结构附近气泡脉动时需采用耦合模型,这和文献[20]的结论相符。
图7显示了γs=1.38时1 mm PVC板随着气泡演化的整体位移响应情况。横坐标为测点距中心点的距离,板产生的波动沿x方向几乎对称分布。t=1.16 ms时气泡达到最大体积,由图可知此时平板中心点处达到正向最大位移,周围测点同时向上运动,平板呈现一阶鞭状响应模式。t=1.55 ms时随着气泡的收缩,板进入回弹阶段开始向下运动,t=1.94 ms时,由于中部区域位移变化较快,邻近区域相对滞后,从而呈现出两个对称的双波峰状态,平板呈现三阶响应模式。t=2.13 ms时,峰值位置向两侧扩展且幅值逐渐减小,表明双峰值变化过程类似于向板两侧传递的且衰减的波。t=2.33 ms时除峰值外,板的其余测点均整体向下运动,中心处仍是反向最大位移,且双峰值持续向两侧传递。图8显示了γs=0.65时1 mm PVC板整体位移变化情况。板的整体运动模式与图7相近,就不再进行赘述。由图可知, t=1.07 ms时气泡达到正向最大位移,此时中心点的最大位移值为0.64 mm要明显大于图8的最大位移0.45 mm,因为随着距离参数的减小,气泡载荷作用下板的运动就越剧烈。t=1.55 ms时板整体向下运动,同时x=-15 mm和11.54 mm处均形成双峰波。t=2.33 ms时中心达到反向最大位移,远离中部区域的两侧部分则向上运动,同时峰值依波的形式向端波传递。t=2.81 ms时板进入回弹阶段,可见中心处向上运动,而靠近端点处的测点继续向下运动,仍可见位移双峰值现象。
【参考文献】：
期刊论文
[1]近场水下爆炸气泡射流载荷冲击船体外板的动响应分析[J]. 姜忠涛,李烨,庞学佳,王诗平. 振动与冲击. 2018(09)
[2]水下爆炸气泡与浮体结构相互作用的研究[J]. 王加夏,宗智,周力,姜明佐. 振动与冲击. 2016(12)
[3]圆形舭部附近气泡与自由面非线性耦合研究[J]. 田昭丽,刘云龙,高利峰. 振动与冲击. 2016(06)
[4]减压条件下近自由面气泡运动与水冢现象实验研究[J]. 崔杰,崔璞,周塞北,姚熊亮. 振动与冲击. 2015(19)
[5]不同沙粒底面下气泡脉动特性实验研究[J]. 张阿漫,肖巍,王诗平,程潇欧. 物理学报. 2013(01)
[6]舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果[J]. 崔杰,张阿漫,郭君,李世铭,黄超. 爆炸与冲击. 2012(04)
[7]水中爆炸气泡与水底边界相互作用的水射流现象[J]. 汪斌,张远平,王彦平. 爆炸与冲击. 2011(03)
[8]不同环境下气泡脉动特性实验研究[J]. 张阿漫,王诗平,白兆宏,黄超. 力学学报. 2011(01)
[9]水下爆炸气泡脉动特性的试验研究[J]. 朱锡,牟金磊,洪江波,黄晓明,李海涛. 哈尔滨工程大学学报. 2007(04)
本文编号：3216458
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