近刚性圆柱水下爆炸气泡动力学特性研究

针对刚性圆柱附近水下爆炸气泡的动力学特性进行了研究. 基于Navier-Stokes方程结合流体体积法捕捉气液两相界面,建立了数值模型;采用电容器放电产生水下爆炸气泡并用高速摄像机记录了气泡的脉动,并将实验结果与数值模拟结果对比验证了数值模型有效性. 通过数值模拟得到了气泡与刚性圆柱相互作用的流场细节信息. 结果表明:气泡在刚性圆柱附近脉动使得刚性圆柱表面流体介质存在速度梯度,速度较大的流体液层冲击气泡形成不同的气泡形状. 定义了一个量纲一的距离参数来表征气泡与刚性圆柱之间的相对距离,研究了距离参数对射流冲击压力、最大射流速度及气泡型心运动的影响. 随着距离参数的增大,射流冲击压力逐渐减小,气泡内部最大射流速度先增大后减小;气泡型心的偏移随距离参数的增加而减小.      

爆炸气泡与水面相互作用的数值模拟研究

为探究近水面水下爆炸水幕的形态及形成机理,采用LS_DYNA软件对0.6gRDX球形装药的水下爆炸过程进行了数值模拟. 数值模拟获得的水幕形态、气泡形态及气泡脉动参数等与实验结果进行了对比,验证了数值模拟方法的正确性. 通过观察气泡与水面之间的速度流场变化过程,分析了速度流场变化与水幕、气泡形态的对应关系,揭示了爆炸水幕的形态演变规律和形成机理. 研究结果表明,不同起爆深度下,气泡与水面之间的相互作用过程差异明显,直接影响了爆炸水幕的形态;径向、垂直喷射水柱的形成均产生于气泡膨胀阶段;水射流的形成与气泡是否破裂无关.     

近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理研究

近自由面水下爆炸气泡的动态特性非常复杂,研究其与破损结构的耦合作用机理对于发挥武器的二次攻击毁伤能力具有重要的意义. 基于耦合欧拉-拉格朗日方法,建立了近自由面水下爆炸模型,讨论了（不）完整直角结构近自由面水下爆炸过程中气泡的动态特性,揭示了近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理. 首先建立近自由面水下爆炸模型,将气泡形态、最大半径、周期等仿真结果与实验数据对比,验证数值模型及计算方法的有效性. 探究了完整和破损结构的存在对近自由面水下爆炸气泡动态特性的影响,发现结构与自由面的共同作用使得气泡出现射流偏折、水冢一侧凹陷和气泡破碎等现象. 结果显示破口尺寸参数γ在0.070~0.085区间内,气泡在结构一侧将形成倾斜射流,破口尺寸的增大对射流的头部宽度、头部速度和倾斜角度呈现明显的正向影响.      

近水面水下双气泡耦合作用数值模拟

为研究近水面水下双气泡耦合作用过程,基于LS-DYNA软件开展了近水面水下单、双气泡数值模拟.通过利用高速摄影技术获得的试验结果与仿真结果进行对比验证,证明了本文数值模拟模型的有效性.通过对数值模拟结果进一步分析,得到了该过程的气泡最大半径、膨胀时间以及由气泡形态分析得到耦合作用过程.结果表明,近水面水下双气泡耦合作用过程并非两个单气泡的简单叠加,其横向收缩速度比单气泡慢,气泡到达最高点时间与单气泡相比有1 ms延迟,融合气泡膨胀过程融合,收缩过程中顶端两侧向斜下方凹陷.     

气泡在静水中上升破裂产生射流特性的数值模拟

为了研究不同直径参数对气泡上升、破裂及产生射流的影响,建立了二维旋转数学模型,选用SIMPLEC算法进行数值计算,对单个气泡在静水中运动进行了数值模拟.采用VOF界面几何重构方案,追踪气泡运动过程中气泡表面的变化,并监测气泡上升速度随时间的变化特性.探讨了气泡在抵达自由液面时的破裂机理以及气泡破裂时产生射流的特性.结果表明:气泡在上升过程中逐步由球形变为椭球状,在到达液面时破裂,并产生射流,随着气泡直径的增加,气泡上升速度逐渐增大,气泡破裂时喷射的射流也越高.     

水下爆炸作用下箱形梁整体损伤的参数分析

为了研究水下近距爆炸气泡对梁的中垂和中拱弯曲损伤作用,设计了两种对称结构的全封闭箱形梁模型,利用通用有限元软件Dytran进行数值计算,比较分析了爆炸距离、爆炸位置、舱室大小、附加质量等参数变化对梁整体运动响应的影响特性.结果表明:梁的一阶湿频率与气泡脉动频率相近时,气泡对梁造成的中垂弯曲损伤作用大于中拱弯曲损伤;炸药在梁中部正下方近距爆炸,且爆径比参数大于且接近于1时,气泡对梁的中垂损伤作用最明显;合理的大舱室布置会改变梁结构应力分布状态,降低梁整体损伤的可能性.     

水下爆炸冲击过程三维数值模拟

为研究无限域和近水面水下爆炸冲击波压力特点以及近水面的物理特性,基于多物质ALE方法,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对无限域和近水面水下爆炸进行了三维数值模拟,再现了爆轰产物、水以及空气多物质介质间的相互作用过程。分析发现,在爆深不变的情况下,随着测深的减小,自由面对冲击波的影响主要体现在减小入射冲击波波形脉宽和削弱冲击波峰值压力上;相同当量炸药在自由面产生的水柱,其上升的速度随着爆深的减小而逐渐增大。定性地分析了近水面水下爆炸的密度分布情况,以及不同爆深情况下自由面水柱的形成过程。通过数值模拟研究了冲击波压力值的特性,并与经验值进行了对比,验证了计算模型具有较好的计算精度,同时三维再现了水下爆炸的复杂物理现象。     

基于VOF方法发动机水下排气气泡特性研究

为了研究发动机水下排气气泡运动特性,从工程应用问题出发,分析气泡水下运动及演化特性.考虑重力、浮力、黏性阻力及表面张力作用,运用VOF(流体体积法)方法对气液两相界面进行追踪,对单气泡运动特性进行模拟计算,提出一种计算气泡形心坐标、运动轨迹、速度大小的方法;基于对菲克定律中扩散通量的求解模拟了单气泡在水中的溶解特性.结果表明:气泡在水下上升过程中底部持续向内凹陷,形状由球形变为扁椭球形或帽形;单气泡在水中的运动轨迹初始为直线,随后开始左右摆动上升,摆动幅度逐渐变大,为类S曲线;x方向速度从零开始增大,并在Vx=0这条直线上下波动,幅度逐渐增大;y方向速度经历了由零到快速增长、近似恒定、急剧减小的过程.     

波浪对结构物的冲击作用的数值模拟

通过无反射数值波浪水槽研究了周期波浪对浪溅区结构物的冲击作用.控制方程为雷诺时均方程,采用k-ε紊流模型及在近壁区应用壁函数.建立了适合VOF方法的水体与结构物接触与分离的数值边界条件及动量方程的对流项采用了三阶迎风差分格式以消除数值粘性的影响.通过对不同波浪参数、结构物尺度、结构物与静水面的距离等情形的数值计算成果的比较分析,得到了波浪对结构物底面的冲击压力分布特征,讨论了结构物离开水面的距离S等参数对波浪冲击压力的影响,通过数模得到了波浪对位于浪溅区结构物底面的波浪冲击压力幅值及沿底面分布的定量结果.     

单个蒸汽气泡溃灭过程的边壁效应数值研究

采用数值模拟的手段,耦合流体体积(VOF)多相流模型和自然空泡模型,通过改变单个蒸汽气泡距竖直固壁和水面的距离,计算了这2类边壁共同作用下的溃灭过程.在溃灭的前期,气泡外形主要受水面边壁影响,呈远离水面向内凹陷的趋势;在溃灭的后期,固壁的影响凸显,凹陷的方向逐渐指向固壁.当气泡离固壁越近,溃灭时间越长;当气泡离水面越近时,溃灭时间越短.对固壁上的压力峰值,气泡距竖直固壁的距离起决定作用.     

界面模拟方法在气泡运动领域的应用述评

介绍了几种界面模拟方法如边界积分方法、锋面跟踪法、VOF方法以及水平集方法的基本思想.对这几种方法在模拟气泡运动领域取得的成果进行了总结:边界积分方法在模拟三维界面流动方面存在局限性;锋面跟踪法在模拟大量气泡动力学特性方面取得了一定的进展,但未对气泡在上升过程中的破裂及融合现象加以考虑;VOF方法及水平集方法则以计算量小、模拟精度高而越来越受到广泛的关注.     

基于双向流固耦合模型的溃坝水流数值模拟

弹性结构在运动流体的作用下会产生动力响应，对结构本身的安全性和耐久性都提出了更高的要求。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM和开源计算固体力学软件CalculiX建立双向流固耦合模型，对溃坝水流冲击刚性结构和弹性结构的过程进行了数值模拟。首先对比了代数流体体积法和几何流体体积法在分析溃坝水流冲击刚性结构时的精度，结果表明几何流体体积法能够更为准确地模拟剧烈变化的自由液面。进一步采用几何流体体积法对溃坝水流冲击弹性结构的双向耦合问题进行了分析，弹性结构的动力响应和自由液面的分析结果与前人的数值结果吻合良好，表明目前的数值模型可以应用到实际工程的流固耦合分析中。     

液态金属熔体中气泡运动特性数值模拟

为了揭示高温液态金属熔体中气泡运动规律及其彩响因素，应用VOF方法对单个气泡在液态金属中的运动特性进行了数值计算，得到了与实验数据相符合的气泡变形及上升速度规律；分析预测了表面张力对气泡变形过程的影响及单个气泡在液态铝熔体中的运动轨迹．结果表明，气泡的变形随着奥托斯数的减小而减小；其运动规律是呈螺旋式上升的，容器半径越小、气泡越小，气泡的摆动幅度越大．     

带孔刚性壁对水下爆炸气泡特性影响研究

基于Autodyn对近带孔刚性壁气泡脉动及水射流现象进行模拟,将气泡运动分为破孔射流击穿气泡和壁面射流击穿气泡两种情况,分析破孔半径、爆距、装药量对气泡运动特性的影响.针对气泡的射流速度、压力、脉动周期、中心位移等参数进行分析,发现减小破孔半径对于破孔射流起增益作用,增大爆距对壁面射流起减益作用,并与近无孔刚性壁气泡及水射流特性进行对比,发现同种工况下带孔刚性壁壁面射流压力、速度峰值及气泡脉动周期均小于无孔刚性壁情况.      

基于数字图像处理的浮选泡沫速度特征提取及分析

以浮选泡沫图像序列为对象,研究浮选泡沫图像序列速度特征提取方法,分析泡沫速度特征与浮选性能间的关系.提出一种抗尺度快速变化和具有旋转不变性的模板匹配算法,利用宏块跟踪技术对浮选泡沫图像序列的泡沫速度特征进行估计,得出像素级的泡沫运动速度参量.然后,采用二维拉格朗日曲面插值方法提取亚像素位移,得出精确的亚像素级位移参量.结果表明:在浮选过程中,减少浮选泡沫运动速度的紊乱程度能减小已粘附在泡沫上的矿物粒子的脱附率,进而提高浮选精矿品位,降低尾矿中有用矿物含量.     

超声场中双气泡非线性动力学参数

从气泡动力学出发,建立了双气泡在外加声场作用下的运动方程,对气泡间的相互作用力进行了研究.研究结果表明：考虑到气泡之间相互作用后,气泡的运动方程、谐振频率、谐振时半径的变化情况明显与单个气泡不同,这些参数不只与气泡各自的初始半径,外加声压强度,液体的黏滞性等因素有关,还与它们之间距离和相对另一气泡的初始半径有关.研究发现：气泡的谐振频率与它们之间距离有关,随着气泡之间距离的增大,其谐振频率在不断减小.但当它们之间的距离增大到某一值时,其谐振频率趋于一定值.这也可以理解为当气泡相对较远时它们之间的相互作用对其影响可以忽略,此时的谐振频率即为单泡的谐振频率.对于谐振时它们的半径变化而言,两气泡之间的作用是相互抑制的,但气泡的初始半径的不同,这种抑制作用的强、弱不同.气泡初始半径相同的气泡,相互抑制作用较弱,数值计算表现出半径相同时其谐振半径的变化幅度要大于半径不同时的结果.     

气泡群动力特性模拟分析

采用VOF(volume-of-fluid)中的PLIC(piecewise linear interface calculation)界面重构方法模拟研究了三维气泡群的上升过程及其对周围流场的扰动.重点分析考察了大量气泡上升过程中的动力学特性,伴随着随机的碰撞与融合等现象,气泡分布经历了由规则到扇形体再到随机的过程;在大雷诺数时融合过程表现为整体行为.受到融合过程的影响,周围流场表现出明显的振荡现象,且气泡群中心受到的扰动高于外围流体.     

气泡碰壁反弹的动力学模型研究

为了解气泡与壁面相互作用的物理机制和详细动力学过程,对气泡与壁面碰撞反弹的动力学过程进行了分析,综述了理论模型的发展过程,并采用所建立的理论模型进行数值求解.当毫米级气泡以一定速度垂直撞击壁面时,气泡与壁面之间存在一层液膜,该液膜呈现多种形状.气泡的变形会改变薄膜内压强的分布,形成薄膜排水过程.气泡在与壁面作用的过程中会反弹多次直至动能被完全消耗.在建立的动力学模型中,液膜厚度分布由Stokes-Reynolds方程描述,液膜内压强由Young-Laplace方程求得,在气泡的轨迹模型中引入了由液膜内压强引起的壁面诱导力.结果表明:描述液膜厚度及膜内压强的SRYL模型能够捕捉薄膜变化的动力学行为,基于薄膜润滑近似的壁面诱导力模型可以较好地预测气泡多次反弹的运动轨迹,壁面诱导力在气泡撞击壁面的过程中对气泡运动起主导作用;随着气泡尺寸和雷诺数的增大,气泡的反弹次数会逐渐增加,气泡是否反弹以及反弹次数与雷诺数有着直接的关系.