耦合超声场的气液流动特性

功率超声作为一种新兴的绿色技术,越来越受到石油行业的重视。结合稠油超声降黏机制,从气泡瞬态演化规律和溃灭特性出发,对超声作用下空化气泡和空化流场进行数值模拟和实验验证。模拟结果表明,增加超声频率和减小气泡之间的距离会导致单个空化气泡最大半径的减小,气泡个数的增加会使气泡生长至破裂过程的速度减小,延长超声作用时间和增大超声频率可增加超声场中最大空化压力。实验表明,空化气泡不断在超声场中振荡并互相聚并,且随着超声作用时间的延长,该过程更加剧烈。研究内容为稠油超声降黏在石油化工行业的应用提供了重要的理论指导。

柱形空泡动力学研究综述

空化现象是核工程领域的重要研究内容,而柱形空泡动力学是其前沿方向。本文从理论和实验两个方面对柱形空泡的研究进展进行了综述。首先,本文从流体力学基本方程出发,对三种典型形式的柱形空泡动力学方程进行了详细的推导和系统的整理。然后,对这三种柱形泡动力学方程进行了比较,指出了它们在方程的形式和适用范围上的差别。此外,文章分析了方程中一些重要参数对方程预测结果的影响。实验研究方面,本文展示了柱形空泡典型的高速摄影图片以及空泡半径随时间的变化。通过将实验结果与理论结果进行对比,发现二者具有良好的一致性。

高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究

气泡在许多不同过程中起着重要作用 .舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索 ,即基于对气泡的特性研究 ,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法 .用高速摄影技术来研究气泡 ,具有直观、低费用的优点 ,配合以半自动胶片判读仪 ,可获得较为详细的关于气泡的参量 .实验结果表明 ,水中气泡上升速度的大小都在随时间减小 ,气泡的末速度存在一极值 ,它与一定大小的气泡相对应 .文中详细讨论了水中气泡的动力学特征 ,并与高速摄影所得到的气泡图象数据进行了比较 。

不同环境下气泡脉动特性实验研究

水下爆炸气泡对舰船结构造成严重的毁伤,海上实船爆炸实验是考核水下爆炸气泡对舰船毁伤威力最直接、最有效的方法,然而真实情况的舰船水下爆炸实验难以进行.为此,在已有研究成果的基础上,设计实验电路,利用电容在相对较低的电压下放电打火产生的电火花气泡来模拟水下爆炸气泡,设计多组实验工况来模拟气泡在不同环境下的运动特性.研究气泡在不同环境下的脉动特性、射流特征,揭示一些特殊的实验现象,总结环境对气泡运动的影响规律.

静止水中单气泡形状及上升规律的实验研究

为了研究静止液体中单气泡的形状及运动规律,以静止水中运动的单气泡为研究对象,采用高速摄影法和数字图像处理技术,通过实验研究单气泡在水中生成及上升的过程。提出用气泡圆形度C描述气泡形状,采用不同量纲一参数对气泡圆形度进行预测,并分析气泡运动轨迹、终速度的变化规律。研究结果表明:采用We数或Re数对气泡圆形度进行预测效果最好;气泡在运动过程中的轨迹呈直线型、之字型、螺旋型3种形态,且终速度随气泡变形的加剧而变化,气泡形状为球形时运动速度最小,为球帽形时速度最大。

水下爆炸的高速摄影测试技术研究

将高速摄影技术应用于室内水下爆炸实验研究,对爆炸容器、模型安装方法及光学测量系统进行了实验设计。通过水下爆炸实验,利用高速摄影仪观测了自由场及结构近场下气泡脉动的整个过程,获得了气泡脉动周期和最大半径,将实验数据与理论经验公式进行比较后发现,结果基本吻合。最后,对高速摄影测试技术提出改进措施。

高速摄影技术在水下爆炸气泡脉动研究中的应用

利用APX-RS数字式高速相机拍摄了PETN炸药水下爆炸气泡自由场脉动过程、气泡与边界相互作用水射流形成过程的清晰图像。采用氙灯照明光源,高速相机幅频可以达到6000s-1,采用在水箱壁贴低密度材料的方法来降低反射冲击波对气泡脉动过程的影响,由高速相机测试结果分析得到的气泡脉动参数与8kg爆炸水池试验结果一致,验证了光学测试结果的真实性。

水下爆炸气泡射流现象的试验研究

水下爆炸气泡塌陷产生的射流载荷会对舰船结构造成严重地毁伤,而射流现象又十分复杂.为研究水下爆炸气泡射流的产生条件以及载荷形式,文章设计了一系列的试验,通过高速摄影观测气泡运动过程,同时利用压力传感器对气泡周围的压力场进行记录.将试验结果与经典的Blake判断准则进行了比较分析,提出了气泡产生冲向靶板的射流条件.同时通过对试验中测量到的压力-时间曲线进行分析,可以看出射流的产生对气泡载荷的压力、冲量、能量都产生了很大影响,从能量的角度提出射流现象将使气泡能量集中,并对其正前方结构可能产生更大的毁伤.在分析试验结果的基础上分析了射流产生的机理,得到了不同引力和浮力方向情况下的射流形成条件和射流形成的载荷形式,为舰船结构抗爆研究提供参考.

环境友好型生物表面活性剂对浮选气泡动力学的影响研究

为了考察生物表面活性剂替代化学表面活性剂调控浮选气泡的能力,采用高速摄影技术,对比研究了茶皂素、鼠李糖脂和曲拉通3种表面活性剂溶液中单个气泡的变形、终速度与运动轨迹,以及气泡群的尺寸分布特征。结果表明,类似于化学表面活性剂,生物表面活性剂对单气泡的浮升运动和气泡群的尺寸分布均有重要的影响。少量的茶皂素就可以有效地抑制气泡变形、降低气泡终速度、增强气泡的稳定性、减小气泡群的特征尺寸和增大气泡群的比表面积。另外,生物表面活性剂对气泡的影响取决于生物表面活性剂的种类和浓度。茶皂素的调控效果强于鼠李糖脂。单从对气泡动力学行为的影响效果来看,生物表面活性剂可能成为化学表面活性剂的替代品或升级换代品。

烟火药水下燃烧气泡的实验研究

为探讨烟火药水下燃烧的声辐射机理,基于气泡的瞬时性,采用高速摄影和录像的方法对烟火药水下燃烧气泡的整个物理过程进行了试验研究。发现烟火药水下燃烧过程可分为气泡形成、上浮、破裂成气泡云以及气泡云的水面破裂喷涌四个阶段。随着燃烧速度的增加,气泡演变更加剧烈,出现了合并现象,同时所辐射的噪声也随之增大。气泡上升的过程中并不是完整的球形,且总体上由于气泡体积的变化受力不均而呈曲线形上升。

箱形梁在水下近距非接触爆炸作用下的整体毁伤研究

为了研究舰船在水下近场爆炸作用下的整体毁伤模式,根据相似原则设计了两种箱形梁模型,将TNT炸药置于模型中部正下方爆炸,通过改变爆距和药量来研究试验模型在不同爆炸工况下的整体运动特性,并利用高速摄影仪观察模型的动态响应过程.试验研究发现:在梁模型一阶湿频率与气泡脉动频率相近的条件下,气泡脉动会激起结构明显的整体弯曲运动;当爆距与最大气泡半径之比为1～1.5时,梁结构会发生中垂破坏,形成一个或两个塑性绞;当爆距与最大气泡半径之比为2～4时,梁结构会发生鞭状运动响应;水下爆炸气泡对水面结构的整体毁伤作用大于初始冲击波。

近场脉动气泡作用下船体梁模型动响应试验研究

水中兵器在舰船附近爆炸时,爆炸气泡对船体结构的整体毁伤作用不能忽视.将炸药置于船体梁模型中部正下方爆炸,通过改变爆距来研究船体模型在近场脉动气泡作用下的动态响应特性.利用高速摄影技术观察模型在气泡作用下的运动过程,结合应变和加速度测量数据,定量分析了模型的总体振动响应.试验发现:近场作用下,气泡脉动压力对结构的冲击作用明显;在大气压和气泡内压力作用下,试验模型受到向下的分布载荷,被叠加一中垂弯矩,爆距越小,此中垂弯矩越大.

表面活性剂对中尺度气泡形状及速度的调控研究

为了有效调控中尺度气泡的行为,在纯水中通过添加不同浓度的3种表面活性剂实验研究了气泡上升过程中的形状与速度的变化.在一个方截面柱形容器内生成了4种中尺度气泡,再利用高速摄影仪记录了气泡的瞬时运动过程,通过图像处理软件分析了气泡的形状和速度.结果表明,由于Marangoni效应,适量的表面活性剂可以有效抑制中尺度气泡的变形,减小气泡的形状变化幅度,降低气泡的上升速度.相比于纯水,当曲拉通的浓度为0.15 mmol/L时,气泡高宽比的变化幅度缩减了57%;当曲拉通的浓度为0.05 mmol/L时,气泡终端上升速度降低了35%.实验中还发现,气泡的形状变化影响着气泡的瞬时速度,气泡高度比越小,上升得越快.在实验条件范围内,不同表面活性剂对气泡的调控效果有所不同,曲拉通的调控效果优于聚乙二醇和正戊醇.

废旧塑料浮选分离中气泡黏附行为的影响

塑料浮选作为一种基于表面活性剂的废旧塑料分选技术,是解决废旧塑料环境污染的有效方法.为深入考察塑料浮选过程中气泡的黏附行为及影响因素,运用高速摄影技术结合气泡黏附时间模型,对比分析纯水中气泡与亲/疏水材料的黏附效果,重点比较不同溶液〔纯水、鼠李糖脂和SDS(十二烷基硫酸钠)溶液〕中气泡与疏水材料的黏附时间变化,并探讨其影响机制.结果表明:气泡在纯水中只与疏水材料发生黏附,表面活性剂及其浓度对气泡与疏水材料的黏附时间影响显著.在c(鼠李糖脂)和c(SDS)(二者均为0.03 mmol/L)均较低的溶液中,气泡与疏水材料的黏附时间由纯水中的158 ms分别降至120和140 ms,而二者较高(10.00 mmol/L)时黏附时间分别增至1 134和338 ms.基于黏附时间模型分析表明,黏附时间是气泡尺寸、接触角、溶液黏度及表面张力等参数的函数,通过控制这些参数可以调控气泡在目标塑料表面的黏附时间,实现浮选效率的优化.

掺气泡对空泡影响的高速摄影分析

为解决高速水流空化产生的空蚀破坏,常在低压区或易发生空蚀部位上游设置掺气设施强迫掺气,而高速水流掺气减蚀的机理涉及空泡动力学问题.通过在直流式水洞中用高速摄影技术对半圆柱突体的空化特性进行观察分析,测量了半圆柱突体后空化区不同直径掺气孔及掺气体积分数下压力和空化数的变化.揭示了半圆柱突体后空化云的形态、随流运动的演变情况,不同直径掺气泡对空化云及空泡和掺气泡相互作用的影响.试验结果表明在流速v=11.67 m/s,掺气量分别为0.6,0.8,1.0 m3/h的情况下,高10 mm,底部直径为6 mm的半圆柱突体后2 mm掺气孔的空化数会达到最大值,并且最佳掺气孔径会随掺气体积分数的增加而减小.

水中激光击穿空泡的高速摄影研究

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子腔体、空泡脉动、近/远场声波特性等综合效应,将高速摄影技术应用于水下激光击穿研究.观察到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭过程,通过对所得照片的分析,得到了激光空泡生长的规律,实验结果与已有的水下空泡理论计算及采用光散射、压力传感器测量结果吻合较好,证明了高速摄影技术在水下激光击穿产生空泡特性研究中的重要作用.

实验室尺度水下爆炸气泡实验方法

为研究水下爆炸气泡的动态特性,建立了实验室尺度水下爆炸气泡实验方法,该方法采用高速摄影技术,在2 m×2 m×2 m的水箱中进行,分别从定性和定量的角度分析了水箱边界影响产生的的误差。研究了小当量PETN的水下爆炸气泡现象,高速摄影的速度控制在4000～5000s-1,精度控制在1%以内。实验结果表明:随着药量的增加,水箱边界的影响逐渐增加。在进行实验室尺度水下爆炸气泡实验时,为尽量减小边界对气泡运动产生的影响,需要控制使用的药量。

CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究

为研究CL-20基炸药、CL-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2m×2m×2m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生、膨胀和收缩过程。拟合得到气泡脉动过程中气泡半径、速度、加速度对时间的变化曲线,对比分析了CL-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律。在实验条件下,首次直观地拍摄到CL-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象。实验表明:CL-20基含铝炸药的气泡半径、脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段。

高强度聚焦超声场中空化泡群的结构及其形成过程

空化是高强度聚焦超声(HIFU)引起组织损伤的作用机制之一。本文使用高速摄影技术研究了HIFU场中空化泡群结构的空间分布特征、超声功率对空化泡群结构的影响、空化泡群结构的建立过程尤其是起始过程。空化泡群的结构以空化泡在声场中的区域化分布为特征．在一定功率范围内空化泡群的结构保持稳定。从建立过程来看,空化泡群首先出现在焦区,然后在焦后区(远离换能器的区域)形成,焦前区(靠近换能器的区域)空化泡群最后形成。在对空化泡群起始的研究中发现最初拍摄到的空化泡群形状与焦区形状接近,并且观察到空化泡在焦区发生聚集然后破裂的现象。

二维空泡流的脉动性态研究

采用高速摄影技术对定常来流中ＮＡＣＡ４４１２翼的不稳定的空泡流形态特征进行了水洞试验研究．试验结果揭示了由于空泡形态断裂而产生的低频脉动现象．这一现象在跨空泡流（Ｔｒａｎｓ－ｃａｖｉｔａｔｉｎｇｆｌｏｗ）情况下尤为明显，常使空泡长度和厚度在大幅范围内拟周期地变动，其频率特性比较稳定。