水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

发布时间：2021-06-25 21:02

　　具有脉动特性的气泡（如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡）动力学行为很大程度上取决于其边界条件.实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度.前人基于Rayleigh-Plesset气泡理论和"Bjerknes"力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理.本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究.然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程.研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在"正反馈效应",从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理.射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小.本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考. 

【文章来源】：力学学报. 2019,51(06)北大核心EICSCD

【文章页数】：16 页

【部分图文】：

气泡与(a)自由液面或(b)刚性壁面耦合作用示意图及柱坐标系的定义

如图2所示为典型的气泡在自由液面附近的射流现象[32]，针对该工况采用BIM对气泡与自由液面耦合作用进行模拟，图3(a)中给出了射流砰击前瞬间的气泡形态，该工况中气泡射流头部较平整，射流砰击并不是发生在中心轴线上，而是在一个环线上，图中第M1个节点和第M2个节点之间最先发生碰撞，常规的拓扑结构处理方法并不适用于该工况.观察实验现象(图2)，气泡射流后在其底部产生了一些“射流砰击残留物”，联合实验现象和数值计算结果可以发现，图3(a)中的节点1～M1以及节点M2～N所包围的一小部分气体即是实验中的残留物.由于残留物相对气泡整体的体积较小，因此在数值计算中直接将该部分节点和单元删除，然后形成新的环状气泡节点系统，如图3(b)和图3(c)所示.如此，数值计算结果将与真实的物理过程更加贴近，计算结果与实验吻合更好，如图3(d)所示.这种工况中，气泡射流砰击实际上可以看作是气泡发生了撕裂现象[54]，射流前的单连通气泡演变成一个环状气泡与另一个单连通气泡(砰击残留物)，由于后者的体积远小于前者，且两者的距离越来越远，所以后期的数值模拟中可忽略后者对前者的影响，继续模拟环状气泡的运动.图3 平头射流砰击工况中环状气泡阶段计算预处理

图2 自由液面附近气泡射流现象以及环状气泡典型形态(图片来自文献[32])当处理完气泡拓扑结构后，保持气泡表面速度势不变，则射流砰击位置出现速度势突跳.按照经典涡环模型处理办法，在气泡内部布置一个环量为Γ的涡环，其位置用(rv,zv)表示.本文的研究中，对于环接触砰击情况，假设接触点编号分别为M1和M2，则环量Γ的取值方法[53]为

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3249943