气液两相介质声学特性分析与气泡检测应用研究

摘要

气体与液体的声学性质的显著差异使得混有气泡的液体呈现许多特殊的性质，具有极高的理论研究和应用价值。在航天器在轨加注任务中，推进剂中气泡的混入将影响发动机工作效率与寿命，任务存在不确定性，有效的流动管道气泡检测技术研究势在必行。本文研究了声速、声衰减系数与气液两相流体中气泡体积分数以及气泡大小的关系，并根据理论研究设计展开实验，研究了管道两相流中气泡的检测方法。
　　本研究主要内容包括：⑴对Flynn的气泡动力学理论进行了修正，进而研究了声波传播作用下的单气泡的非线性振动行为，分析了流体与声波特性对单个气泡振动的影响。通过对模型的线性化处理求解气泡辐射压，从而分析了气泡振动阻尼、共振频率、最大幅度等特性。研究表明，气泡存在三种不同径向振动模式：受外界声波调制的准谐振振动、剧烈的非线性发散振动和外界声场引起的受迫振动。驱动声波频率与幅值、液体粘性系数以及温度的变化都会对气泡振动产生影响，甚至改变振动的非线性特性。气泡的半径和激励声波的频率共同影响气泡辐射压力幅值大小。气泡的共振频率与气泡半径之间存在一一对应关系为气泡检测提供了一个可行的思路。⑵从Doinikov模型出发，本文对不同情形的动力学模型和单气泡辐射声压模型进行简化分析，并对其进行线性化处理，讨论了边界层对气泡振动与声辐射的影响。研究表明，Doinikov模型具有一般普适性；在无界静止情况下，该模型经过简化可得到本文第二章所推导的模型。在刚体边界条件下，气泡振动的阻尼系数和自振角频率较无界的情况要小。当气泡与刚体壁面的距离大于9.5倍的气泡半径时，壁面对气泡振动阻尼系数与自振角频率的影响可忽略不计（影响5％以内）。本文还参数化分析了各种因素对气泡声辐射幅值的影响，并与无界静止流体中的情况进行了对比。⑶对于多气泡而言，本文推导了考虑气泡声相互作用的拉格朗日气泡动力学模型，并进行线性化处理，通过气体体积分数建立了宏观欧拉连续介质模型与微观拉格朗日气泡动力学模型的关系，得到混合流体中声波等效相速度及衰减系数与气体体积分数的关系。研究表明：在小气体体积分数的情况下，声相互作用增大了气泡振动的阻尼；不改变共振频率的大小，但共振峰趋于平缓。数值计算表明气泡半径对声衰减系数的影响很小，可以通过测量声衰减系数直接得到混合流体的气体体积分数。该结论为后面实验奠定了理论基础。⑷设计了两相流气泡检测实验系统并开展实验研究。分析了不同气体量情形下接收声波信号的幅值与方差，从实验层面上对所提出的测量模型进行了有效验证。通过对试验数据的分析，设计了对应的判读方案。结果表明：在对比了原理样机的判读结果与气体流量计流量的基础上，该方案可以有效进行管道两相流的气泡检测。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及进展

1.3 论文研究内容及安排

第二章 无界静止流场单气泡动力学研究

2.1 声波作用下无界静止流场单气泡非线性振动

2.2 模型线性化分析

2.3 本章小结

第三章 有界静止流场单气泡动力学研究

3.1 声波作用下有界静止流场单气泡非线性振动

3.2 声波作用下有界静止流场单气泡辐射

3.3 模型线性化分析

3.4 本章小结

第四章 气液两相介质平面波声传播研究

4.1 VAN WIJNGAARDEN两相欧拉连续模型

4.2 拉格朗日气泡动力学模型建立与线性化

4.3 欧拉-拉格朗日法等效声速与声衰减系数求解

4.4 本章小结

第五章 管道两相流气泡检测实验研究

5.1 实验总体方案

5.2 两相流气泡检测实验

5.3 本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果