气泡溃灭过程的数值研究

摘要

空泡流是一种普遍存在于液体运动中的复杂两相流动。由于空泡流动具有高瞬时、强脉动等许多复杂特性，对于空泡流动的机理性问题，尤其对于空泡发展的溃灭阶段，人们还缺乏比较全面的认识。本文从细观动力学角度出发，在考虑表面张力、液体粘度和气体可压缩性的影响下，采用基于VOF的直接数值模拟方法，研究了三维含气型空泡(即气泡)包括单个气泡、两个气泡和多个气泡在自由流场中的溃灭情况，着重分析了溃灭和回弹两个阶段气泡的形态变化及其周围流场的变化。
　　 单个气泡在内外压力差驱动下开始周期性的溃灭和回弹运动。在第一次溃灭期间，气泡体积演变的数值解与Rayleigh理论解保持一致，形状变化基本维持球形，速度矢量沿径向分布，气泡内部压力场均匀分布。当气泡到达最小体积后，开始回弹，在回弹点附近出现了剧烈变化：气泡形状不再维持球形，气体内部出现了明显的气体涡，气体内部的压力分布也不再均匀分布。
　　 两个相同初始半径的气泡在溃灭和回弹阶段均呈现对称变化，其质心持续靠近。溃灭阶段，气泡外侧形成了朝向彼此的射流，回弹期阶段气泡呈现朝向彼此的凹形状。计算结果表明，射流的强度和变形程度均随着气泡间距的减小而增强。对具有不同初始半径的两个气泡来说，小气泡的变化速率和变形程度明显大于大气泡。同时，随着两个气泡初始半径比的增大，小气泡的变形程度增强，位于两个气泡中间的几何空间上的压力梯度增大。
　　 多个气泡的溃灭过程与泡.泡间的相互作用有着密切联系。距离中心越远的气泡，其溃灭开始的越早，变形的程度也越大。中心气泡由于受到周围气泡的抑制作用，体积的演变速度由慢变快。此外，随着周围气泡数的增加，即泡，泡间相互作用的增强，中心气泡溃灭所需的时间延长，其内部所能达到的最大压力值也显著增大。