改进的固定边界上方气泡射流方向判定准则.pdf
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1、第 卷 第 期国防科技大学学报 年 月 :改进的固定边界上方气泡射流方向判定准则陈启航,张阿漫,李帅(哈尔滨工程大学 船舶工程学院,黑龙江 哈尔滨 )摘要:前人应用开尔文冲量理论得到了判断固定边界上方气泡射流方向的 准则,但其预测精度在特定参数范围内不足。为此,通过考虑气泡内压力变化并引入边界效应,提出了改进的气泡射流方向判断准则,使用边界元方法模拟结果对其进行验证,比较了改进模型与传统 准则的预测结果,并分析了无量纲强度参数对改进模型预测结果的影响。研究表明,改进的模型比传统 准则具有更高的预测精度。改听语音聊科研与作者互动进的理论模型能够为水下爆炸、海底资源勘探等领域提供理论参考。关键词:
2、气泡动力学;准则;改进的判断准则;边界元方法中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文章编号:(),(,):,:;固定边界附近脉动的气泡在坍塌阶段常常会形成破坏性强的高速水射流现象,会对水下局部结构造成严重破坏 。因此,对气泡射流方向进行精确预测具有重要的工程应用价值。在已有文献中,许多学者采用电火花或激光实验手段和数值方法 准确模拟了刚性壁面附近气泡的脉动特性,精准预测了气泡的射流方向。理论研究方面,前人基于势流理论,应用开尔文冲量 描述自由液面、固定边界、惯性边界和不同密度流体液面等边界条件下气泡的迁移方向和塌陷阶段气泡射流的方向。与此同时,许多学者基于球形气泡 假 设,应
3、 用 方 程,采 用 效应和开尔文冲量理论来阐述气泡射流的成因 ,最终得到表征气泡形心迁移方向的流场动量。近年来,许多学者也开展了很多开尔文冲量理论应用研究 。其中,对于固定边界上方的脉动气泡,等 应用开尔文冲量理论,考虑流体浮力的影响,获得了预测气泡射流方向的 准则(与无量纲浮力参数 和距离参数 有关,)。准则属于 问题 ,其假设气泡内部为真空,忽略了边界效应,然而许多研究表明 ,准则在 时不能准确预测固定边界上方气泡的射流方向。因此,开展固定边界上方气泡射流方向判断准则的理论研究具有重要的学术意义。首先应用开尔文冲量理论,采用气体绝热状态方程近似模拟气泡内部压力的变化,应用 等 建立的气泡
4、统一方程,建立考虑边界收稿日期:基金项目:国家重点研发计划资助项目();黑龙江省自然科学基金优秀青年资助项目()作者简介:陈启航(),男,河北张家口人,博士研究生,:;李帅(通信作者),男,湖北宣恩人,副教授,博士,博士生导师,:国 防 科 技 大 学 学 报第 卷效应的理论模型,从而获得改进的气泡射流方向判断准则。然后,采用边界元方法模拟相同参数工况下固定边界上方气泡的脉动,对判断准则的理论模型进行有效性验证。最后,采用边界元方法 ,模拟不同参数工况下气泡的脉动,将 准则与改进的判断准则进行对比,系统开展固定边界上方气泡射流方向判断准则的理论与数值研究,探究改进的判断准则的优越性。理论与数值
5、模型本文对无穷大固定边界上方气泡的脉动问题进行理论与数值研究,示意图如图 所示。理论模型建立球坐标系 ,数值模型引入柱坐标系 ,以球形气泡中心为坐标系原点 ,轴垂直于球面向外,轴水平向右,轴方向与重力方向相反,为 轴与 轴顺时针方向的夹角,绕 轴逆时针方向旋转,气泡中心距固定边界距离为 。图 固定边界上方的气泡脉动示意图 理论模型对于无黏无旋不可压缩流体中固定边界上方的球形气泡,只考虑气泡径向速度,无其他分量。考虑 流 体 的 浮 力 效 应,应 用 开 尔 文 冲 量 理论 ,浮力和刚性边界施加在流体上的力 只有 方向的分量():()()()其中,为流体密度,为重力加速度,为气泡体积,()为
6、点源时的源强。则气泡可等效为:()()式中,为气泡半径,为气泡脉动速度。选择气泡的最大半径、流体密度 及气泡中心初始位置水平方向无穷远处的流场压力 作为特征量,将所有变量进行无量纲化处理,并引入以下无量纲参数:()()其中,为浮力参数、为气泡的强度参数、为距离参数 ,为气泡内部初始压力,如无特殊说明,后续出现的物理量均为无量纲形式。在式()基础上将相应的无量纲参数代入式(),可得式()的无量纲形式为:()同时,在气泡脉动一个周期 的流体冲量 为零:()其中,式()的气泡脉动速度可由描述气泡运动的 方程获得:()其中,为气泡脉动的加速度,为气泡内部压力。水下爆炸气泡内气体分为可冷凝的气体(如水蒸
7、气)和不可冷凝的气体,忽略可冷凝气体(饱和蒸汽压)的影响,气泡内部不可冷凝气体压力近似满足绝热状态方程,即:()()其中:为气泡初始半径;为绝热指数,理想气体取 。同时,在球形气泡假设下,气泡的初始半径、强度参数与绝热指数 存在以下关系:()()已知气泡脉动一个周期的初始半径为,初始脉动速度为 ,将式()进行一次积分可得气泡脉动速度为:()()()式()得到了自由场中气泡脉动速度,将其代入式()可得:()()将式()和式()联立,可得自由场中考虑气泡内部压力变化的气泡射流方向判断准则:()槡()第 期陈启航,等:改进的固定边界上方气泡射流方向判定准则判 断 准 则 式()是 自 由 场 中 基
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