水下气泡羽流运动模型仿真

为了准确描述水下气泡羽流的流动结构,开展水下气泡羽流运动模型模拟与仿真研究。将速度场的估计问题转换为回归预测问题,降低速度场估计复杂度,通过四级级联深度卷积神经网络以由粗到细的形式测量矢量,完成由粗到精的羽流运动速度场估计,提升测量精度。通过k-ε双方程模型分析水下气泡羽流流场的变化规律,并采用积分离散技术对方程离散化处理,获取计算空间对应的离散化方程,通过边界条件处理方法建立水下气泡羽流运动模型,实现水下气泡羽流运动模拟。经过实验测试分析压强、空隙率和纵横比对水下气泡羽流运动的影响,实验结果验证了所提方法可以获取准确的水下气泡羽流运动规律,说明其具有有效性。

环形与圆形喷管水下气泡生成的实验对比研究

对环形喷管与圆形喷管水下气泡生成进行了实验对比研究.利用自行设计建设的水下气体射流实验系统,结合高速摄影仪图像记录及图像处理,比较分析了两种喷管气泡生成的异同.研究表明:对于圆形喷管,其气泡生成随气体流量增加依次呈现单周期、双周期和三周期特性;而环形喷管,在初始低流量时,气体在环形喷管出口截面呈随机无规则喷发,一旦形成稳定环形气泡则直接进入三周期区制;两种喷管在后续气泡断裂时整体气泡顶部上浮高度也不同;3类气泡所受各种力处于动态变化之中,且3类气泡所受主要控制力不同.

水下气泡群运动特性及其三维数值模拟研究

在对水下单气泡运动受力分析及任意时间剖面多气泡运动特性研究的基础上,建立了水下气泡群运动数学模型。提出了一种基于时间剖面的分析方法,通过改进的RKF方法对各时间剖面进行求解,获得水下气泡群三维运动特性,发现出口处各随机气泡在脱离后,在很短时间内铅垂方向速度均达到一定值但有较小波动,水平各向速度随即趋于0 ;从运动轨迹分析看,相邻气泡碰撞几率很小。

横流中水下气泡运动特性模型对比研究

为更好地研究水下气泡的运动规律,开展横流作用下水下气泡的运动特性模型研究。首先以动量定理为基础,推导横流中水下高速气体的射流轨迹模型;其次依据牛顿定理,对水下气泡进行受力分析,建立横流中单气泡的运动数学模型;最后采用龙格-库塔法对2个模型进行求解与分析。结果表明,2个计算模型在各自的气泡速度范围内,能够模拟对应的气泡运动轨迹,而随着横流速度的不断增加,计算结果误差越来越大。研究结果为水下气泡在复杂流场中的运动特性研究提供参考。

基于气泡统一方程的水下爆炸气泡迁移特征参数影响规律研究

气泡统一方程能够高效描述考虑多种因素的球状气泡动力学行为,但描述气泡迁移方程中的特征参数对于气泡行为的影响规律以及如何确定特征参数尚不明晰.基于气泡统一方程建立了理论模型进行计算与“欧拉有限元”数值算法以及经典球状气泡理论模型进行对比,并结合以下爆炸实验,进一步验证了气泡统一方程的科学性以及相较于其他理论模型的优势.在此基础上,探究了迁移方程特征参数对自由场水下爆炸气泡动力学的影响规律.研究表明,拖曳力系数和附加质量系数对于气泡第一周期脉动的影响可忽略不计,拖曳力系数相比于附加质量系数对气泡迁移的影响更具有主导作用.当拖曳力系数较大时,其对气泡迁移产生明显的阻碍效果,反之不足以对气泡迁移提供阻碍效果.附加质量系数对气泡迁移也是阻碍作用,其对气泡迁移的影响近乎线性.确定迁移特征参数需要围绕具体问题来分析,基于研究结果并结合相似实验可以明确迁移特征参数,并采用理论计算为水下爆炸实际工程应用提供指导与参考.

考虑流场黏性的气泡与自由液面作用的数值模拟

[目的]旨在探究计入可压缩性和黏性效应流场中水下爆炸气泡与自由液面相互作用时液面水冢的演化规律。[方法]首先,基于OpenFOAM的可压缩两相流求解器和流体体积法(VOF),建立计入流场可压缩性和黏性效应的水下爆炸气泡与自由液面耦合作用的数值模型;然后,通过与试验结果进行对比,验证数值模型的有效性;最后,研究不同流场黏性和不同距离参数对气泡脉动过程及液面水冢运动的影响。[结果]结果显示,流场黏性效应对于水冢高度、气泡脉动周期、气泡脉动尤其是反弹阶段的气泡形态均有重要影响;低黏度流体中环状气泡形态不易于保持,易出现环状气泡的撕裂现象;随着距离参数的增大,自由表面和气泡之间的耦合效应逐渐减弱,气泡脉动周期增大,主峰和二次水冢尖峰的高度减小,同时主峰和射流的宽度逐渐增大。[结论]所做研究可为气泡在不同黏性流场中的演变机理提供参考。

水下气泡高速摄影光学系统设计

为了研究水下气泡的粒径、速度和浓度特性,提出基于高速电荷耦合器件(CCD)的气泡照明和三维摄影光学系统.采用532nm半导体激光器,基于伽利略结构用三个柱面镜设计了厚度1.5mm,宽度44mm的片光源。设计物像距530mm,放大率为0.4,1,2.5倍(×)的摄影光学系统,每组均由共用前组镜和会聚镜组成,中间以平行光中继。通过同步移动片光源和共用前组镜实现60mm×40mm视场内二维高速成像和纵向5mm扫描,具有结构简单、性能可靠的特点。对设计结果进行评价,0.4,1,2.5×成像光学系统在0.707ω,50lp/mm时调制传递函数值分别为0.58,0.55和0.38,能够分辨粒径范围为10～450μm的气泡。

水下气泡高速成像探测系统实验研究

设计了一种水下气泡高速成像探测系统实验方案,模拟深水中暗光的情况,采用主动成像方式,以532nm绿光激光器作为光源,高速相机在距离气泡3m远处进行拍摄,成像速率约为500fps。在气泡后放置合作目标和没有合作目标的两种情况下进行实验,得到了气泡图像,对两种图像进行图像处理后发现,在有合作目标的情况下能得到更清晰、对比度更高的气泡运动图像。

水平刚性面下方水下爆炸气泡垂向运动的理论研究

为了研究边界面对水下爆炸气泡脉动的影响,根据势流理论建立了水平刚性面下方在浮力作用下作垂向运动的水下爆炸气泡的理论模型,编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度和压力的分布、气泡引起的载荷形式进行了分析。结果表明此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律,并能进行定量的计算。

简单Green函数法模拟三维水下爆炸气泡运动

假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的,运用势流理论导出气泡边界面运动的控制方程,采用高阶曲面三角形单元离散三维气泡表面,用边界积分法求解气泡的运动．并将计算结果与Rayleigh-Plesset气泡模型和试验数据进行对比分析,分析结果表明高阶曲面单元能够高精度的模拟水下爆炸气泡运动,且比线性单元有多方面的优越性。分别模拟了有、无重力场和刚壁时对气泡运动的影响,并预测了气泡在流场中膨胀、坍塌、迁移、射流形成等重要动力学行为,同时建立了水下爆炸气泡与圆柱筒相互作用的三维模型,模拟了自由液面、圆柱筒附近三维气泡的动力学特性．

垂直刚性面边界条件下水下爆炸气泡运动的理论研究

为研究垂直边界面对水下爆炸气泡脉动的影响,根据势流理论建立了垂直边界面条件下水下爆炸气泡运动的理论模型,编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度及压力的分布、气泡引起的载荷形式进行了分析,结果表明,此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律,并能进行定量的计算。

不同边界条件下水下爆炸气泡的数值模拟

采用有限元程序MSC.Dytran对不同边界条件下水下爆炸气泡的脉动过程进行了数值模拟。对数值模拟中的一些重要问题,如炸药药包的建模、网格密度、状态方程和静压力场的设定等问题进行了探讨。对无限水域中的水下爆炸气泡以及自由面边界、水平刚性面边界和垂直刚性面边界三种边界条件下的水下爆炸气泡进行了数值模拟,分析了水下爆炸气泡的半径、外形变化、气泡脉动压力、流场中的速度分布,结果发现边界的存在对气泡外形的影响较大,刚性边界面会使气泡脉动压力增大较多,而自由面边界对气泡脉动压力的影响较小。将数值模拟的结果与理论模型、经验公式和试验结果进行了比较分析,结果吻合较好。

水下爆炸气泡与浮体结构相互作用的研究

基于势流理论,利用三维边界积分法模拟水下爆炸气泡与其附近浮体之间的相互作用,同时考虑到自由液面对气泡特性的影响。该数值计算结果与电火花气泡实验结果吻合良好,验证了该数值方法的有效性;通过爆点与自由液面的距离,爆点与结构的距离,结构的运动响应三个方面来研究近自由面时,气泡、浮体结构和自由液面之间的耦合特征。尤其关注它们对气泡动力特性,结构上的压力载荷以及自由液面升高等方面的影响。

水下爆炸气泡对内加筋圆柱壳结构毁伤机理分析

以内加筋圆柱壳为研究对象,对近距离非接触爆炸作用下气泡的脉动载荷以及气泡溃破高速射流对内加筋圆柱壳结构的毁伤机理进行计算分析,并且探讨结构参数、药包位置等相关物理量对结构变形特征与毁伤模式的影响。研究结果表明,水下爆炸气泡膨胀产生的膨胀脉动冲击造成结构的整体变形,另一方面气泡溃破所造成的高速射流(速度>100 m/s)则会对局部区域造成严重破坏,弹塑性边界以及自由液面效应会对气泡的形状产生显著的影响。

近边界三维水下爆炸气泡动态特性研究

模拟了近壁、近自由面的水下爆炸气泡的非线性动态特性,假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的,采用高阶曲面三角形单元离散三维气泡表面,用边界积分法求解气泡的运动,在计算奇异积分时通过重新构造双层位势的主值积分消除双层奇异积分的奇异性,得到更精确的结果,并通过合理的加权方法精确的求解边界面上各节点的真实速度,结合弹性网格技术(elastic mesh technique,EMT)得到优化速度,在整个模拟过程中不需要采用数值光顺。将本文的三维模型与轴对称模型进行的对比分析表明,两种模型计算结果吻合很好,并用三维模型模拟了气泡与自由表面及圆筒的相互作用,水下爆炸气泡在自由表面及圆筒的联合作用下呈现出强非线性。

圆柱壳在水下爆炸气泡作用下的动态塑性响应研究

圆柱壳是潜艇的主要结构单元,其在水下爆炸作用下产生的动态塑性响应是潜艇破坏的主要因素之一,因此研究其水下爆炸动态塑性响应有助于深入了解圆柱壳结构的失效规律和机理,对于提高潜艇的生命力和战斗力以及改良水中兵器战斗部装药设计有着重要的意义。文章首先根据Geers-Hunter的水下爆炸气泡集成的双重渐近模型进行数值求解,得到的结果很好地模拟了水下爆炸载荷从冲击波到第一次气泡脉动的整个过程。然后利用ABAQUS软件,将圆柱壳简化成一根梁,并从圆柱壳在水下爆炸气泡作用下产生的塑性铰的个数这一角度,当气泡第一次脉动频率与圆柱壳梁模型的第一、二阶固有频率接近时,对圆柱壳在水下爆炸气泡作用下的动态塑性响应进行了探索性的研究。

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.

气泡浓度对海洋激光雷达后向散射特性的影响

对不同浓度气泡幕水下激光雷达的后向散射特性进行了理论分析和实验研究。实验结果表明:由于水中气泡群后向散射的原因,在水下激光雷达整体后向散射信号的回波曲线上,除了水体后向散射导致的信号峰以外,还出现因气泡散射而导致的散射峰,该散射峰叠加在水体的后向散射信号峰上,其位置与水中气泡幕的位置直接相关,而其幅值则受气泡幕的浓度影响。随着气泡幕浓度的增大,其后向散射峰幅值相应增大,这一点与理论分析结果一致,而回波峰值的变化趋势则主要受水体质量的影响。

冰水槽内气泡辅助破冰系统的机理实验研究

为了揭示气泡辅助破冰机理,以极地破冰船气泡辅助破冰系统为研究对象,本文设计制作了船模及气泡辅助破冰系统模型并依托低温实验室进行一系列机理实验。通过机理实验探究加装气泡辅助破冰系统后冰层在船艏、船肩及舷侧的破坏模式,研究气泡辅助破冰系统与海冰相互作用机理。在此基础上对多种物理参数的影响进行分析。研究表明:气泡辅助破冰系统通过在冰层下形成气泡腔,破坏了水对于冰的弹性支撑;同时向上运动的气泡流将碎冰块吹离船体,形成船体与碎冰间的润滑层,从而分别降低了破冰船在冰区航行的破冰阻力和清冰阻力,达到了辅助破冰船航行的效果。

气泡多周期运动时引起的流场压力与速度

假设水下爆炸气泡的内部气体在膨胀收缩过程中满足绝热条件,周围流体无黏无旋不可压缩.基于势流理论,采用边界元法研究气泡动力学行为,重点关注气泡引起的流场脉动载荷以及滞后流特性,给出了相关的理论推导和数值计算方法.通过将数值结果与解析解、实验值进行对比,数值模型的收敛性和有效性能够得到保证.利用编写的程序进行计算和分析,发现在气泡加速膨胀阶段,流场压力在气泡径向不一定是逐渐衰减,还有可能以先增后减的规律变化;气泡射流后,为了能够继续描述环状气泡的运动以及流场特性,将此时的流场分为无旋场和一个布置在气泡内部涡环的叠加,计算过程中采用了一些数值技巧处理气泡的拓扑结构,得以连续模拟多个周期的气泡运动.环状气泡具有相对较高的上浮迁移速度,而且在其顶部和底部附近分别形成两个高压区,顶部的高压区峰值相对较大,底部的高压区范围相对较大.环状气泡中心轴上的流场速度会在气泡中心有一个加速过程,在气泡顶部附近又迅速减小.