水下爆炸气泡与近场气泡耦合脉动特性的数值研究

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在实际海战中,水下多发武器相邻爆炸造成水下爆炸多气泡耦合脉动的现象是广泛存在的,大多数现实生活中的气泡动力学应用,例如空化侵蚀防护,水下战争以及涉及微泡造影剂的医疗应用方面也都涉及多个气泡。本文主要针对水下爆炸气泡与近场气泡耦合脉动特性进行研究,着重从水下爆炸多气泡相位差对相互作用特性的影响,气泡在附着气泡的固定/柔性结构附近脉动特性等方面进行研究。重点分析气泡射流特性、复杂边界条件下的多气泡耦合脉动规律以及不同参数下气泡间的相互作用影响等。本文首先收集并整理了国内外关于气泡动力学实验以及数值研究的相关文献资料,了解水下爆炸气泡方面国内外的研究进展;其次根据水下爆炸气泡的物理特性,将流场假定成不可压缩无粘无旋,之后基于势流理论采用边界积分法建立三维非球形爆炸气泡的数值模型,并针对边界积分法的奇异性问题给出了解析和数值的处理过程,最后阐述了整个程序的计算流程。研究了水下爆炸多气泡相位差对气泡间相互作用特性影响。通过改变两气泡体积比、两气泡中心的距离参数和脉动起始时间相位差等观察对气泡溃灭和非定常射流的影响,重点观察两气泡脉动过程中的复杂现象,尤其关注参数的变化对两个气泡动力学流场压力特性的影响,并通过绘制两气泡脉动过程中的体积曲线和中心垂向位移曲线来分析两气泡的运动特性。通过实验研究了柔性板附着气泡和附近的电火花气泡之间的强耦合效应,同时也考虑了附着气泡对柔性板变形的影响。实验过程中观察到了许多有趣而复杂的气泡现象,如气泡撕裂、远离板的射流、朝向板的射流、撕裂后的向上和向下运动,以及两个气泡融合后的撕裂。此外,附着的气泡可以出现半球形、蘑菇形或杯状。为了更好地了解气泡和柔性边界之间的相互作用,选取柔性结构中心点和气泡上下顶点的位移时间历程曲线,探讨了柔性板在气泡载荷作用下的运动响应模式,总结了柔性结构的变形模式和运动响应模式。附着在柔性结构上的气泡可以在一定程度上改变电火花气泡的运动特性。在某些条件下,气泡溃灭过程中会形成一个指向边界的液体射流。射流的冲击和气泡溃灭期间产生的冲击力通常会导致附近边界的空化破坏。研究气泡靠近一个由附着单气泡“保护”的刚性边界时气泡的射流特性,采用三维数学模型考察气泡在附着单气泡固定结构周围的脉动过程,并详细地考察不同距离参数、附着气泡强度参数以及附着气泡初始体积参数情况下气泡脉动过程中的气泡形态以及射流特性变化。
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