水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究

摘要

本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究,采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟,利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度,同时运用双节点法保证气?液?固三相交界线的计算稳定性.实验中,采用水下放电技术生成气泡,使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应.首先对比数值与实验结果,二者吻合良好,验证了数值计算模型的有效性和正确性.然后通过对气泡与浮体的无量纲距离γs(气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现:(1)γs从0.2增大至2时,气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(0.2≤γs≤0.3)、接触射流(0.4≤γs≤0.6)、非接触射流(0.7≤γs≤1)、对射流(1.1≤γs≤1.3)和反射流(1.4≤γs≤2)等5种典型射流模式;(2)正射流速度随γs先增大后减小再增大,并且当0.7≤γs≤0.9时,速度可达约1000 m/s;反射流速度随γs增大而增大;(3)在本文实验条件下,γs<1.5时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移;当γs≥1.5时自由液面对气泡的排斥作用更强,气泡在坍塌阶段远离自由液面.