水下高压气枪气泡运动及其流场压力特性研究

发布时间：2020-05-14 10:24

【摘要】：我国海域辽阔,海底蕴藏着丰富的矿产资源、如天然气、石油、可燃冰等,这些深埋海底的资源不仅给开采带来极大难度,探测资源在海底的分布情况也是工程中的一大难题。鉴于地震波在海水中衰减较慢的特性,海底资源探测中采用最多的即为地震勘探法,利用人工地震源向海底发射地震波,然后采集海底反射回来的地震波信号,最后通过不同海底结构的不同反射特性,反向解析出真实的海底结构,即达到了海底资源勘探的目的。对于深海资源勘探来说,探测波不仅要穿透上千米深的海水,还要穿透一定深度的海床结构,综合各方面因素考虑,这种声波必须具备低频、高能、宽带的特性,才能胜任深海勘探任务,而气枪就是目前使用最为广泛的低频人工震源。本文的研究主要着眼于工程中遇到的实际问题。1)工程中气枪阵列的快速优化设计问题,随着海洋资源的探索逐渐由浅海走入深海,人们对海上震源的使用提出了更高的要求,如何使气枪产生的远场压力子波能传播更远的距离,且具有足够的能量穿透海底的地质结构,一直是人们亟待解决的问题。2)相干枪在工程中的使用问题,同阵列设计问题一样,相干气枪应该如何排布才能起到更好的气泡脉冲压制效果,而又不会对主脉冲的幅值造成很大影响,对于增加海底资源探测的分辨率十分有意义。3)是气枪结构设计中关键参数设定问题,我们知道气枪开口尺寸、开口形状、开口位置、枪体长度和厚度等均会对气枪发射的探测压力波产生影响,如何设计这些参数才能使单枪震源激发具有更大的初始能量,以及足够的低频成分,满足更深、更远探测要求,实现海底资源的高精度探测。4)是电火花震源的研究,电火花震源也常被用作海底资源探测,是最早用于海底资源勘探的非炸药震源,但气泡的生成及脉动机理都相当地复杂,理论方法和数值模拟所能求解的情况比较有限。气枪气泡的脉动过程往往较为复杂,常常伴随着湍流和漩涡形成,为气枪气泡脉动中基础力学问题的研究增加了很多困难,为进一步加强人们对气枪气泡的了解,本文采用了多种方法对气枪气泡脉动及流场压力特性进行了研究,包括球形气泡脉动理论、边界积分法、有限体积法以及电火花气泡实验法,这些方法各有其优势和不足,工程中可根据气枪使用的不同要求,选择合适的计算模型和方法。目前工程中使用最多的即为基于球形气泡理论对气枪气泡脉动方程直接求解,采取一定的近似手段来快速获取远场震源子波信号的大致形态,考虑到该方法在计算速度上的优势,本文将其与粒子群算法相结合建立了气枪阵列快速设计及优化的方法,但该方法在计算过程中忽略了气泡形态对震源信号的影响,不利于气枪气泡近场压力的计算,以及气枪气泡脉动过程中一些复杂机理的解释。边界积分法在模拟气枪气泡非球形变化过程中具有较大优势,本文基于边界积分法系统地研究了气泡非球形变化对远场压力子波影响,以及多枪气泡相互耦合问题,对最佳相干距离等问题进行了深入研究,但边界积分法对于气枪气泡与不同边界的强耦合问题的计算上仍差强人意,如气枪气泡与枪体的耦合、气泡射流融合撕裂等,另外,边界积分法在计算速度和稳定性上也远不如球形气泡脉动模型。有限体积法的引入主要是用来帮助加深气枪气泡工作原理的了解,基于有限体积法可以很好的解决边界积分法中由气泡撕裂融合等引起的计算发散,大大提高了计算的稳定性,有限体积法可以很好的再现气枪与枪体耦合情况,对于解决气枪设计过程中开口尺寸、枪体直径等关键参数的确定具有重要意义,但相比于边界积分法,有限体积法的计算效率更低,并不适用于工程中大量气枪气泡同时激发的情况,而且受限于计算域的尺度,并不能直接算出距离气泡足够远处测点的压力。电火花气泡的研究和使用可以追溯到上世纪中期,电火花气泡同激光气泡等空化气泡一样,之前多被认为是爆炸气泡的研究手段,它很好地克服了爆炸气泡污染环境、费用高和透明度低等主要缺点,是人们实验室研究气泡脉动机理的较好的辅助手段,借助电火花气泡实验本文研究了气泡与不同边界的相互作用,虽然同气枪气泡形态具有一定的差异,但二者同属于高压气团驱使下的气泡弹性震荡,电火花气泡对于气枪气泡的研究仍有很多借鉴意义。本文建立了带约束的气枪阵列优化算法,考虑了空间位置、震源容量等实际施工限制,发现在给出合适的目标函数后,仅通过对气枪发射时间、空间分布等阵列布置参数的简单调整,即可实现阵列远场压力子波的优化。通过对不同间距下相干气枪远场压力子波主脉冲、初泡比和气泡周期的无量纲分析,发现随着气泡无量纲距离的增大,初泡比呈现先增大后减小的趋势,在无量纲距离约为1.6的时候(多气泡即将融合),初泡比存在一个极大值。基于有限体积法的非球形气枪气泡研究,发现气枪开口位置、开口高度、开口形式等均对远场压力子波具有一定影响,在枪体设计中它们的取值极为关键。通过高电压电火花气泡放电实验研究,发现电火花气泡形态、周期、射流、迁移与距离参数和边界种类关系密切,并对其变化规律进行了总结。
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1.1 研究目的与意义随着陆地上煤炭、石油和天然气等传统能源的不断枯竭，包括可燃冰等在内的海底能源成为全世界争夺的战略性资源，各个国家都在加大力度对海底资源进行开发，勘探和开采这些海洋资源对实现海洋强国具有十分重要的意义。目前，常用的地质勘探方法主要有重力勘探、磁法勘探、电法勘探和地震勘探。重力勘探是利用岩石的密度差异引起的重力在地表上的变化，通过重力仪即可寻找地下储油构造和其它矿藏的分布的一种方法；磁力勘探是利用磁力仪在地面或空中测量地下岩石的磁性变化（磁力异常），来探测地下地质构造和寻找其它矿藏的方法；电法勘探就是用专门的仪器测量地下岩石的导电能力，不同的岩石具有不同的矿物组成，具有不同的导电能力（电性差异），来推测地下储油构造的一种方法；地震勘探主要是利用的是岩石的弹性差异，利用人工地震源向地下发射一个地震波信号，地震波信号会在介质分界处形成反射，然后根据地震记录仪接收到的反射波信号和地震波在地下岩层中的传播规律，即可反向解析接收的反射波所承载的地质结构信息，，探查地底石油等资源的分布情况，探测过程如图 1.1 所示，探测结果反馈如图 1.2 所示。

地面界面1界面2砂岩页岩石灰岩图 1.2 地震勘探原理示意图（图片来自互联网）Fig 1.2 Schematic diagram of seicmic propecting (Figure comes from the Internet)气枪震源主要是利用内部高度压缩空气在水下快速释放，来引起周围流场的弹性，从而在气枪气泡形成及脉动的同时，不断向外辐射压力子波，如图 1.4 中实体气围的蓝色虚线和实线所示，压力波以气枪为中心向四面八方迅速扩散，图中红色实距气枪中心 9000 m 远处固定测点探测的压力子波形态，图中结果未考虑自由面反起的压力变化。图 1.3 描述了真实气枪在水下发射形成的气枪气泡脉动过程，惯性下气泡的膨胀、收缩和反弹过程往往会重复多个周期，直至气泡破碎，除膨胀初期的主脉冲外，气泡每一次收缩到体积接近最小时刻，气泡都将辐射新的压力脉冲，是常说的“气泡脉冲”，气泡的每一次重复脉动都相当于一个新的震源，形成的气泡大大降低了震源子波的探测分辨率，而气泡脉冲的抑制问题一直是研究的热点。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P631.46


本文编号：2663207