超声场中空化气泡运动与融合的理论分析和试验研究

摘要

尾流自导鱼雷具有很好的抗干扰能力和较高的导引精度，命中率高，毁伤效果好。但是目前对尾流自导鱼雷缺乏有效的防御措施，发展尾流自导鱼雷防御技术迫在眉睫。在现有的防御尾流自导鱼雷的方法中，有一种消隐舰船尾流的方法，它以超声场中气泡的运动和融合作为基本理论基础，即利用超声能量使舰船尾流中气泡的大小、分布和密度发生改变，从而达到消除或者减少尾流自导鱼雷对舰船尾流可探性测特征的目的。本文在此基础上，采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，围绕超声作用下气泡的运动，不同参数对气泡之间的次Bjerknes力的影响，以及超声场中气泡的融合理论进行研究，具体内容包括:
　　1、当超声频率为22.4kHz，超声声压为10kPa-40kPa时，对气泡在超声场中的运动进行了试验研究。结果表明当气泡相距较远时，气泡之间的相对位置变化比较小;当气泡相距较近时，气泡之间的相对位置变化比较大。用两个气泡之间的相对加速度间接衡量气泡之间的次Bjerknes力，得到气泡之间的次Bjerknes力有一个作用距离阈值，即当气泡之间的距离小于一定程度时，气泡之间的次Bjerknes力才会发挥作用，而且当两个气泡的半径都小于共振频率半径时，气泡之间的作用距离阈值会随着超声声压的增大而增大。对两个气泡在不同频率20kHz-100kHz作用下的运动做了试验研究，结果表明:在不同的超声频率下，气泡的运动明显不同，频率比较高时，气泡之间的相对位置变化比较大，并且气泡的运动与两个气泡的半径和气泡之间的相对距离密切相关。对在超声声压为10kPa-120kPa，超声频率为20kHz-100kHz时，气泡融合的试验研究表明:在超声声压为30kPa时，气泡接触以后的形状和气泡之间的薄膜间隙变化不明显，而在超声声压为120kPa时，气泡的形状变化特别明显，尤其是可以明显的观察到气泡之间薄膜间隙的变化。另外，在超声频率比较低时，气泡接触以后，气泡之间相对位置几乎不发生变化，但是在高频率时，气泡之间相对位置会围绕两个气泡的中心而发生旋转。
　　2、采用耦合的气泡振动和移动方程对超声场中气泡的运动进行了数值模拟，得到两个气泡在超声场中的运动轨迹，并对气泡运动过程中所受的力进行了分析。当气泡之间的距离比较远时，浮力和主Bjerknes力占主导作用;当气泡之间的距离比较小时，次Bjerknes力将发挥比较大的作用。研究了超声声压、超声频率、气泡的初始半径以及气泡之间的距离对气泡之间的次Bjerknes力的影响。当两个气泡的半径都小于或者都大于共振频率半径时，气泡之间的次Bjerknes力随着声压的增大而增大;当两个气泡的半径处于共振频率半径之间时，气泡之间的力为排斥力，并且也随着声压的增大而增大;当两个气泡的半径在共振频率半径之间，并且更接近于共振频率半径时，气泡之间的力在声压比较小时为吸引力，随着声压的增大变为排斥力。而超声频率、气泡的初始半径和气泡之间的距离对两个气泡之间的次Bjerknes力的影响没有明显的趋势，同时对上述因素对气泡之间的次Bjerknes力进行理论分析，结果表明上述因素主要通过影响气泡之间的振动相位和振动幅度而引起气泡之间的作用力的变化。
　　3、对不同超声声压10kPa-100kPa和不同超声频率20kHz-100kHz作用下从试验中得到的气泡融合时间与在没有超声作用下理论计算时间进行对比分析，结果表明在不同超声声压作用下，气泡的融合时间都远远大于在没有超声作用时的理论计算时间，并且两个气泡的融合时间会随着超声声压的增大而增大。而在不同超声频率作用下，气泡的融合时间都远远大于在没有超声作用时的理论计算时间，但是气泡的融合时间与超声频率频率之间没有看出明显的趋势。与在没有超声作用下气泡的融合相似，两个气泡的半径会影响气泡的融合时间，并且两个气泡的融合时间与两个气泡的等效半径成正比。在理论分析的基础上对在超声作用下影响两个气泡的融合两个最重要因素进行分析，结果表明，在不同声压和频率作用下，两个气泡之间的次Bjerknes力和两个气泡的最大径向速度都会影响气泡的融合，并且两个气泡的融合时间会随着两个气泡之间的次Bjerknes力和两个气泡的最大径向速度增大而增大。超声影响气泡的融合主要原因为当两个气泡振动为同相时，气泡之间的液体薄膜间隙会变薄，而当两个气泡振动为异相时，气泡之间的液体薄膜间隙会变厚，这会破坏气泡的正常排水过程，从而最终影响气泡的融合。

目录

声明

摘要

符号说明

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 超声场中空化气泡的动力学研究

1．2．2 超声场中空化气泡作用力的研究

1．2．3 超声场中空化气泡结构的研究

1．2．4 超声场中气泡融合的研究

1．2．5 超声场中气泡运动和融合的研究不足及下一步发展方向

1．3 研究目的、手段和主要内容

2 超声场中空化气泡运动的动力学基础

2．1 引言

2．2 空化阈值

2．3 空化气泡的动力学方程

2．3．1 空化气泡的一般动力学方程

2．3．2 球形气泡的动力学基本方程

2．3．2 空化气泡在非压缩流体中的动力学方程

2．3．3 空化气泡在压缩流体中的动力学方程

2．4 空化气泡在超声作用下的受力研究

2．4．1 主要Bjerknes力

2．4．2 次Bjerknes力

2．4．3 浮力

2．4．4 粘滞阻力

2．5 气泡在超声场中的运动方程

2．5．1 单个气泡在超声场中的运动方程

2．5．2 两个气泡在超声场中的运动方程

2．6 本章小结

3 超声场中气泡运动和融合的试验研究

3．1 引言

3．2 实验目的与方案

3．2．1 试验装置的设计

3．2．2 试验方法与参数

3．2．3 试验数据处理方法

3．3 超声场中不同声压作用下气泡运动的试验结果

3．3．1 气泡在不同超声声压作用下超声场中运动的图像

3．3．2 气泡在不同超声声压作用下气泡的运动轨迹

3．3．3 超声场中气泡运动试验结果的可信性分析

3．3．4 气泡之间次Bjerknes力作用距离阈值

3．4 超声场中不同超声频率作用下气泡运动的试验结果

3．4．1 超声场中不同频率作用下两个气泡的运动轨迹

3．4．2 超声场中不同超声频率作用下两个气泡的相对运动试验结果

3．4．3 不同频率作用下两个气泡之间相对加速度的统计结果

3．5 超声场中气泡融合的实验结果

3．5．1 不同超声声压作用下气泡融合的试验结果

3．5．2 不同超声频率作用下气泡融合的试验结果

3．6 本章小结

4 超声场中空化气泡运动的理论分析

4．1 引言

4．2 超声场中空化气泡运动的研究

4．2．1 超声场中空化气泡运动的数值模拟方法

4．2．2 超声场中空化气泡的运动轨迹

4．2．3 超声场中空化气泡的相对运动速度

4．2．4 超声场中空化气泡的受力研究

4．2．5 超声声压对气泡作用力的影响

4．3 超声场中空化气泡之间的次Bjerkaes力的数值模拟

4．3．1 数值仿真的方法和参数

4．3．2 试验结果与仿真结果的对比分析

4．3．3 超声频率对气泡之间次Bjerknes力的影响

4．3．4 气泡的初始半径对次Bjerknes力的影响

4．4 空化气泡之间二阶Bjerknes力变化的理论分析

4．4．1 气泡初始半径对次Bjerknes力影响的理论分析

4．4．2 超声声压对二阶Bjerkens力影响的理论分析

4．4．3 气泡之间的距离对二阶Bjerkens力影响的理论分析

4．5 小结

5 超声场中气泡融合的理论分析

5．1 引言

5．2 气泡融合的基本理论

5．2．1 无超声作用下气泡融合的基本理论

5．2．2 超声场中气泡融合需考虑的问题

5．2．3 试验中气泡半径的转化

5．3 超声声压对气泡融合的影响

5．3．1 不同超声声压作用下空化气泡之间的液体薄膜的半径

5．3．2 超声声压对气泡融合时间影响的研究

5．3．3 两个气泡的半径对气泡融合的影响

5．3．4 两个气泡之间的次Bjerknes力对气泡融合的影响

5．3．5 两个气泡的最大径向速度对气泡融合的影响

5．4 超声频率对气泡融合的影响

5．4．1 不同超声频率下气泡之间的液体薄膜的半径

5．4．2 超声频率对气泡融合时间影响的研究

5．4．3 两个气泡的半径对气泡融合的影响

5．4．4 两个气泡之间的次Bjerknes力对气泡融合的影响

5．4．5 两个气泡的最大径向振动速度对气泡融合的影响

5．5 超声声压和超声频率对气泡融合影响的理论分析

5．6 小结

6 结束语

6．1 研究工作总结

6．2 本文的创新点

6．3 今后研究的发展方向

致谢

参考文献

作者在攻读博士学位期间撰写及发表的论文