考虑粘性效应的气泡动力学研究

作     者：许威 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔杰

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：水下爆炸 气泡动力学 粘性效应 实验 

摘      要：近年来,水下爆炸中气泡形态、载荷特性等已经成为国际研究的热点之一,纵观国内外,有关气泡的运动特性、结构响应等方面的研究已取得丰硕的成果。能够发现气泡的运动形态往往受边界条件的影响,在不同的边界结构附近即呈现出不同的脉动形态,但基于此类的大多数研究成果都是在水中进行中,而在实际应用环境中,气泡广泛存在于化工、生物、医学等领域的高粘度液体中,其运动规律尚未探明。比如漩涡流域中的气泡运动状态抑或是气泡减阻技术领域,粘性效应在发挥着极为重要的作用,影响着气泡的运动特性以及在载荷形式等,因而研究粘性效应影响下不同边界形式下的气泡演变过程以及动力学规律等具有十分重要的意义。本文首先从研究气泡动力学的三种主流方法理论、实验和数值着手,回顾国内外关于气泡与不同边界相互作用的研究进展,分析了进行考虑粘性效应的气泡动力学试验的必要性,并设计出易于在高粘度介质中进行试验的可调节式低电压电火花发生装置,在4种不同粘度的介质进行高效率的气泡动力学试验,揭示高粘性中气泡位于自由场、壁面以及自由面附近时的脉动现象以及运动规律。自由场作为最为基础的边界条件,本文首先开展该工况下高粘性介质中的脉动试验,并在高速摄影机的辅助下对4种不同介质中气泡在自由场中的脉动图像进行观察与数据分析,得出高粘性介质中粘度的增加会极大程度上延长气泡脉动的可持续时间的结论,以及气泡数个脉动周期中粘度对气泡脉动形态的影响规律。在此基础上,本文对气泡与壁面相互作用竖直壁面以及水平壁面这种普遍存在的边界条件附近时脉动进行分析,得到介质的粘性系数对气泡脉动现象的影响,并发现距离参数对气泡形态的影响以及不同粘度介质中气泡脉动现象的差异。此外本文对射流的产生时间、生成前后的气泡状态以及方向、速度等物理量进行研究,得出距离参数以及粘性系数对上述物理量的影响规律。最后,本文研究了气泡与自由面相互作用下的脉动特性,观察总结不同介质中液面以下气泡的演化过程以及液面上方水冢形态等,总结得出距离参数、粘度参数影响下的气泡脉动以及水冢运动特性,分析上述两种参数共同影响下的气泡、水冢运动相关物理量规律。通过开展考虑粘性效应下的气泡动力学试验,对气泡与自由场、壁面以及自由面几种边界条件相互作用下脉动现象进行分析,总结粘度影响下的相关运动规律,能够为工程中的实际应用以及基于粘性效应的气泡动力学研究提供参考。