多气泡非线性耦合过程中射流增强效应及融合特性研究

At present, multiple bubbles dynamics is of great importance in various fields, like shipbuilding and ocean engineering, fluid mechanics, biomedicine, etc. Basic research on multiple-bubbles interaction may help us take full advantage of bubble dynamics. So far, Boundary Integral Method (BIM) is one of the most widely used numerical methods in bubble dynamics. However, computation always stops before jet impact in the published works, and few numerical studies are concerned with the interaction between a toroidal bubble and a singly-connected one, let alone toroidal bubbles interaction; therefore, many mechanisms involved are not revealed. Besides, bubble coalescence is one of the most complex dynamic behaviors and modelling for three dimentional coalescence of bubbles are not established yet. Therefore, based on hydrodynamic theory and first law of thermodynamics, this project is intended to establish the BIM model for multiple-bubbles interaction and coalescence. The validity of the numerical model is to be comfirmed by experiments. On this basis, mechanism studies about the jet impact strengthened by out-of-phase bubble and bubble coalescence are supposed to be conducted. These researches will provide basic technical support for multiple-bubbles interaction. Detailed research contents are given as below: 1) Modelling for three dimentional multiple-bubbles interaction; 2) Numerical study on the coalescence of multiple bubbles under complex boundary conditions; 3) Experimental study on multiple-bubbles interaction near different boundaries.

近年来，多气泡动力学已成为诸多领域的研究热点，包括船舶与海洋工程、流体力学、生物医学等。对多气泡耦合特性开展基础性研究有助于气泡更好的为人类所用。目前，边界积分法（BIM）是气泡研究中应用最广泛的数值方法之一，但前人研究多数终止于气泡射流时刻，气泡射流砰击之后的研究十分匮乏，其中涉及的许多力学机理尚未揭示。此外，气泡融合是多气泡耦合过程中最复杂的力学行为之一，相应的理论和数值模型亟待建立。鉴于此，本项目基于流体动力学理论和热力学第一定律，采用BIM建立多气泡非线性耦合及融合动力学模型，并采用机理实验验证数值模型的正确性。在此基础上，深入探索异相气泡“射流增强效应”及气泡融合背后的力学机理和物理规律，旨为多气泡动力学相关研究提供基础性技术支撑。本项目主要研究内容包括：1）多气泡全非线性耦合作用三维数值模型研究；2）复杂边界附近多气泡融合特性研究；3）不同边界条件下多气泡动力学机理实验研究。

本课题以船舶与海洋工程领域水下多发武器爆炸为研究背景，重点关注异相气泡“射流增强效应”以及气泡融合工况气泡脉动载荷衰减这两种现象，采用理论、数值和实验相结合的方式对多气泡耦合动力学行为及其背后的力学机理进行研究，主要包括：（1）多气泡全非线性耦合作用三维数值模型研究；（2）复杂边界附近多气泡融合特性研究；（3）不同边界条件下多气泡动力学机理实验研究。在数值方面，本课题采用基于势流理论的边界积分法研究了多气泡耦合特性。首先，针对异相气泡耦合问题，本课题采用解析方法改进单涡环模型并将其拓展至多涡环模型，研究了气泡间距、相位差等参数对异相气泡耦合特性的影响规律，结果表明存在使射流速度达到最大值的相位差，能够为多发武器发射策略提供参考。针对气泡融合问题，本课题建立了水膜排液理论模型和气泡融合网格智能重构方法，开展了不同边界条件下气泡融合特性研究。在实验方面，本课题采用高压电火花装置建立了多气泡耦合动力学实验方法并开展了系统的研究，同时，结合数值计算和机理实验结果，设计并开展了小当量水下爆炸气泡“射流增强效应”和融合实验，验证了数值模型的有效性，完善了本课题得到的相关结论。

内容获取失败，请点击重试