多气泡（气泡群）非线性耦合作用及融合特性研究

摘要

船舶与海洋工程领域中，多气泡动力学的应用无处不在，例如：多发武器攻击、海底资源探测、水幕反导、气泡帷幕抗冲击等等。气泡本身作为一种特殊的流场边界，对周围其它气泡的动力学行为也会产生重要的影响。揭示多气泡在不同边界条件下的耦合作用机理，探究其中物理变化规律具有重要的学术意义和工程价值。因此，本文以上述应用为研究背景，基于边界积分法（BIM）建立了多气泡非线性耦合数值模型，重点解决了三维气泡融合、多个环状气泡耦合作用、气泡引起的皇冠型水冢后期运动计算方法、多尺度下气泡耦合快速计算方法等难点问题，通过建立的数学模型和自主开发的计算程序对相关问题进行机理性和规律性的研究，具体如下所述。 本文首先综述了船舶与海洋工程领域中涉及到的多气泡耦合作用相关应用，并对其中的基本物理现象和内在力学机理进行了必要的阐述。然后，从实验、理论和数值研究三个方面回顾了前人在多气泡研究方面取得的成果。据此，本文对目前气泡研究工作的不足和难点进行了总结：多气泡耦合作用的研究远少于单气泡相关研究；数值研究多在气泡射流时刻终止，鲜有环状气泡与单连通气泡的研究，多个环状气泡间耦合作用研究基本属于空白；目前尚未建立两个气泡的三维融合数值模型；不同边界附近多气泡耦合作用的三维数值计算中，由于网格大尺度变形导致的计算不稳定性仍需要改进控制方法；大尺度气泡与小尺度气泡耦合作用方法研究较少。本文针对以上不足和难点开展了相关研究工作。 在势流理论框架下，本文采用 BIM对多气泡之间的非线性耦合作用进行研究。在气泡射流后，基于“涡环模型”建立了环状气泡与单连通气泡耦合作用的数值模型，并首次将“单涡环模型”拓展至“多涡环模型”，据此为模拟多个环状气泡间的耦合作用提供理论基础。由于多气泡相关参数繁多，因此本文首先针对自由场中两个气泡进行研究，分析特征参数对流场载荷特性的影响，并将计算结果与单气泡、单个大气泡（能量与两个气泡总能量相等）工况进行对比。本文进一步对壁面附近的两个气泡运动进行了研究，分析了特征参数对气泡坍塌模式的影响，同时对异相气泡增强射流砰击威力问题进行了系统研究，并给出了攻击效果最佳的两个气泡相关参数，为研发水下“子母弹”提供参考。 当两个气泡间距较小时，气泡膨胀阶段可能会发生融合现象。本文通过理论分析，发现气泡融合前的水膜消融过程由惯性力主导，粘性影响不明显。据此，本文首次基于BIM提出了三维气泡融合方法，采用一套智能网格融合技术处理气泡拓扑结构，同时改进网格密度控制方法，能够较为广泛地应用于不同工况中的气泡融合问题。通过与机理实验对比，验证了数值模型的有效性。随后，采用该模型对自由场中两个三维气泡融合问题进行研究，讨论了在三种气泡布置形式下特征参数对气泡融合动力学行为的影响，发现了一些新的物理现象，并总结了相关物理规律。本文还对自由场三个、四个气泡的融合过程进行了研究。本文进一步建立了刚性壁面和自由液面附近两个气泡融合的三维数值模型，并分别采用机理性实验验证了数值模型的有效性，据此模型系统研究了气泡相对位置、浮力参数、距离参数对气泡融合特性的影响规律。 水幕反导关注多气泡运动引起的水冢在较长时间内的生长过程。本文通过机理实验发现：水冢由于惯性的原因，在气泡溃灭后较长时间内会继续向上运动，且形态会发生明显的变化，其中具有代表性的是“皇冠型”水冢。本文为此建立了气泡引起的皇冠型水冢三维数值模型，通过对比单气泡和多气泡工况机理实验和数值结果，验证了本文数值模型的有效性。采用该模型，系统研究了特征参数对两个气泡产生水冢特性的影响。本文还讨论了三个及以上数量的气泡与自由液面的耦合作用，当气泡排成一列时，水面将形成高而宽的水墙，提高防御面积，也可以通过布置多排气泡，形成多层水墙，提高防御效果。 对于大尺度爆炸气泡与小尺度常压气泡群耦合作用，本文首先采用 BIM对大尺度脉动气泡与一个小尺度常压气泡的全非线性耦合作用进行机理研究，发现常压气泡的存在会削减爆炸气泡脉动载荷峰值，但常压气泡脉动过程中同样会在流场中引起小幅度的脉动压力。然而，BIM并不适用于爆炸气泡与常压气泡群的耦合计算，为此，本文结合BIM和改进的RP方程，建立了多尺度下的气泡群耦合快速计算模型，采用BIM模拟大尺度气泡的非球状运动，通过改进的RP方程求解小尺度气泡的脉动，通过计及相互诱导压力来考虑气泡间的耦合作用。此方法可大大提高计算效率，通过与 BIM模型的计算结果对比，验证了此模型的有效性。通过该模型，本文初步对脉动气泡与气泡帷幕间的耦合作用进行了研究，发现在气泡帷幕的排列方向垂直于爆炸气泡与测点连线时，衰减效果相对更好；气泡帷幕数量越多，衰减效果越好，两层气泡帷幕在经济适用性方面最优。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究方法及现状

1.3 国内外研究工作总结

1.4 本文研究工作和创新点

第2章 多气泡动力学基本理论与改进的数值模型

2.1 引言

2.2 多气泡动力学数学模型

2.3 多个环状气泡耦合作用数值模型

2.4 三维气泡融合数值模型

2.5 大尺度脉动气泡与气泡群耦合动力学快速计算模型

2.6 本章小结

第3章 基于轴对称模型的多气泡相互作用研究

3.1 引言

3.2 两个气泡耦合作用计算方法

3.3 自由场中两个气泡引起的流场载荷特性

3.4 壁面附近两个气泡耦合及载荷特性分析

3.5 本章小结

第4章 自由场气泡融合三维数值模拟研究

4.1 引言

4.2 气泡融合三维数值模型及验证

4.3 特征参数对融合气泡运动特性的影响

4.4 多气泡融合现象

4.5 本章小结

第5章 不同边界附近的三维气泡融合特性研究

5.1 引言

5.2 水平壁面附近气泡融合动力学特性

5.3 自由液面附近气泡融合动力学特性

5.4 本章小结

第6章 多气泡引起的皇冠型水冢三维数值模拟研究

6.1 引言

6.2 自由液面水冢后期运动三维数值模型

6.3 特征参数对皇冠型水冢的影响

6.4 多气泡引起的水冢现象

6.5 本章小结

第7章 水下爆炸气泡与常压气泡群耦合作用研究

7.1 引言

7.2 脉动气泡与单个常压气泡耦合作用

7.3 脉动气泡与气泡帷幕耦合作用研究

7.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢