水下粘性气泡(空泡)运动和载荷特性研究

摘要

气泡(空泡)在流体中的运动学形态和动力学特性一直是流体力学、环境工程、医学和船舶与海洋工程等多种领域的研究热点之一,其与水中结构的流固耦合效应以及对结构的载荷特性也是工程上关心的问题。仅以船舶与海洋工程领域为例,较著名的气泡(空泡)现象就有螺旋桨空泡、水下爆炸气泡和气泡减阻技术中的微气泡等。随着气泡(空泡)工程应用的广泛,人们对气泡和空泡动力学研究也更深入,同时也发现了更多新的问题和挑战,如接触爆炸中气泡强非线性动力学行为和射流载荷,减阻技术中贴附于航行体表面粘性微气泡的滑移和脱落等等。基于此,本文以船舶与海洋工程领域气泡(空泡)应用为工程背景,以粘性气泡动力学方程为核心,借助于物理实验和数值模型,在相互验证有效性基础上,研究不同背景流场(如尾涡、冲击波)、不同边界条件(如超近壁面、贴附壁面等)下气泡的动力学行为和载荷特性。
　　本文首先从理论解析、实验技术和数值模拟三方面回顾了国内外关于气泡动力学的研究进展。理论解析方面给出了计入粘性效应的球状气泡和圆环状气泡的运动方程和坍塌时间;实验技术从高速摄影技术和毁伤载荷实验技术两方面进行了综述;数值模拟主要关注边界元法的进展,具体而言又分为近壁面、贴附壁面、近自由面、重力场中、漩涡场中和冲击波下气泡动力学行为六个方面。此外,总结了气泡撕裂、融合和破裂等界面不稳定现象,并综述了可压缩性、表面张力和粘性这三大影响气泡行为的因素。在此基础上阐述了目前研究中的薄弱环节,为全文行文奠定了基础。
　　从不可压缩的Navier-Stokes方程入手,采用边界层理论,考虑了计及粘性效应气泡动力学方程的改进。基于粘性耗散能量等效原理,首先考虑附加法向应力,其次引入粘性修正压力替代附加切向应力,使得法向应力和切向应力连续同时满足,从而有效解决边界层内弱粘性效应。分别建立了计入粘性修正的轴对称和三维边界元模型。将本文数值模型结果与球状气泡RP方程精确解和理论解析解对比,检验本文数学模型的有效性。将数值结果与不考虑粘性效应的气泡行为进行对比,分析不同参数下粘性效应影响。
　　针对舰船尾涡流场中的空泡,根据空泡是否被涡核捕获,将整个数值过程分为准球状和非球状两个阶段,对于准球状运动阶段,可通过联立球状空泡RP方程和动量定理求解气泡体积脉动和轨迹信息;对于非球状运动阶段,可应用边界元法求解空泡坍塌以及破裂等。将第一阶段的输出信息作为第二阶段的输入,从而完整模拟整个运动过程。将数值结果与前人实验值进行对比,二者吻合良好。在此基础上,一方面,改变气泡运动学和动力学方程中各影响因素大小,考察如粘性、升力、滑移项等因素的影响规律;另一方面,增加气泡的数目和排列方式,获得尾涡场中气泡群的运动。
　　针对狭窄流域内气泡破裂现象,一方面,在前人基础上自主设计物理实验重现气泡脉动及破裂现象,借助水箱内电火花发生气泡装置和高速摄影仪,记录气泡在两壁面或圆筒形成的狭窄流域内的动态演化过程;另一方面,在前人轴对称气泡撕裂的基础上,开发三维气泡撕裂模型和准则,建立数学模型模拟该动力学过程。将数值解与实验值进行对比,相互验证有效性的基础上,系统地研究气泡的对称撕裂、非对称撕裂和环状破裂等多种行为,流场中相关物理量和子气泡射流、周期等变化,以及距离参数、长度参数等无量纲参数的影响规律。
　　针对超近壁面处气泡,在前人关于近壁面气泡运动研究的基础上,开发超近壁面(l￡0.5)轴对称气泡模型。在数值处理中,避免以往关于气泡在超近壁面处膨胀后期的网格扭曲问题;在射流冲击时刻,引入“接触射流切割技术”,获得接触射流冲击压力等信息,完整模拟超近壁面与气泡相互作用。另一方面,采用电火花气泡和高速摄影配合进行物理实验,获得超近壁面处气泡的脉动图像、体积变化、射流速度大小等信息,将数值模拟与实验值进行对比,验证程序的有效性。此外,借助气泡融合模型,采用“镜像法”模拟超近壁面气泡的脉动,对比分析镜像法与直接法的计算结果。采用电火花气泡贴附船底攻击缩比船模或箱形梁,模拟接触爆炸下复杂弹塑性船体结构的动态响应。
　　针对贴附航行体物面滑移的气泡,数值上提出对交界点特殊处理方法,使得固、气、液三相交点同时满足气泡面与固壁面边界条件。在验证程序收敛性基础上,以球头圆柱体和椭球体为例,采用间接边界元法计算流场速度、辅助函数法计算物体表面的压力,分析附带气泡后物体的附加质量、合外力、流场动能等物理量的变化,并给出不同气泡初始内压、尺寸和释放位置等因素的影响。
　　针对冲击波作用下的气泡,假设冲击波冲击气泡早期,即射流穿透气泡表面前期,惯性力起主导作用,可压缩性影响较弱,故在伯努利方程中引入时空变化的冲击波压力,修正原始边界元法。在此基础上,研究规则冲击波、真实冲击波和反射冲击波作用下气泡动态演化和射流载荷特性的改变。将数值结果与前人实验值和其他数值方法计算结果进行对比,验证本文模型的有效性。研究不同冲击波参数、不同气泡初始状态下射流载荷变化规律,尤其关注水下爆炸近场反射波与气泡之间的耦合作用,为实际水下爆炸载荷工程分析提供一定的建议和参考。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 研究方法及进展

1.3 界面不稳定现象

1.4 影响气泡特性的主要因素

1.5 国内外研究综述小结

1.6 本论文主要工作

第2章 粘性气泡动力学改进方程及计算方法

2.1 引言

2.2 基本理论与方法

2.3 数学模型及数值实现

2.4 轴对称模型

2.5 三维模型

2.6 本章小结

第3章 粘性气泡动力学模型与经典模型对比分析

3.1 引言

3.2 球状脉动气泡

3.3 球状平移气泡

3.4 重力场中非球状气泡

3.5 本章小结

第4章 漩涡流场中空泡初生和运动轨迹追踪

4.1 引言

4.2 漩涡模型和计算流程

4.3单向耦合质点粒子追踪法

4.4 边界元法求解非球状动力学模型

4.5 尾涡空泡群

4.6 本章小结

第5章 狭窄流域内气泡撕裂和环状破裂模拟

5.1 引言

5.2 实验原理

5.3 近壁面气泡破裂

5.4 圆筒内气泡破裂

5.5 本章小结

第6章 超近壁面处气泡演化和载荷特性

6.1 引言

6.2 气泡与超近壁面的改进算法

6.3 超近壁面气泡射流冲击研究

6.4 贴附壁面气泡滑移演化研究

6.5 本章小结

第7章 冲击波作用下气泡动态和射流载荷

7.1 引言

7.2 冲击波数值模型

7.3 规则冲击波下气泡动态特性

7.4 水下爆炸冲击波下气泡动态特性

7.5 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

附录 A

附录 B

变量符号表