液体参量对激光空泡产生和溃灭的影响研究

论文摘要

本文从理论、数值模拟和实验方面研究了激光空泡膨胀和收缩全过程及空泡溃灭诱导的射流对靶材的损伤机制,系统讨论了液体粘性、表面张力、温度、含气量以及材料弹性模量变化对空泡膨胀、收缩及溃灭过程的影响。首先从空泡动力学基本理论出发,得到了空泡各特征参量之间的关系,进而对空泡动力学模型进行了修正;采用有限差分法数值模拟不同参量液体中空泡的脉动行为,研究了液体粘性、表面张力、温度、含气量以及可压缩性等参量变化对空泡泡半径、泡壁运动速度、加速度以及溃灭周期等特征参量的影响。数值计算结果表明液体参量是影响空泡脉动的重要因素,它们将对空泡膨胀和收缩过程产生显著的影响。其次,采用基于光纤耦合的光束偏转测试系统进行了实验研究,探测了高功率激光烧蚀水下靶材所产生的激光等离子体冲击波、空泡等物理现象及空泡溃灭后期产生的射流对固壁面的冲击作用。深入分析了液体粘度、表面张力、温度等参量与空泡泡半径、泡壁运动速度、溃灭周期和靶材所受射流冲击力之间的定量关系,并通过数值计算进行了验证,给出了相应的理论解释。此外,考虑到固壁面对空泡溃灭周期的延长作用,对Rayleigh公式进行了修正,并根据修正后的Rayleigh公式建立了液体参量与射流速度、射流冲击压强大小之间的定量关系。实验研究结果表明液体粘性将减缓空泡膨胀和收缩过程,减小靶材所受射流冲击力,因而对空化起抑制作用;而表面张力延缓空泡膨胀加速空泡溃灭,增大靶材所受射流冲击力,促进了空化的作用效果。此外,还研究了液体温度变化对空泡动力学行为的影响。通过针对不同弹性模量的固壁面附近空泡脉动过程的研究,得到了壁面弹性模量变化对空泡的最大泡半径、溃灭周期及泡能等特征参量的影响,结果表明壁面弹性模量的增大,将导致空泡最大泡半径、泡能和脉动周期等参量减小。本文的研究结果不仅有助于加深对空化、空蚀现象的认识,从而减轻和消除空化对船舶、水利、水电设施和机械造成的危害,同时也为提高激光加工、激光医疗的效率提供理论和实验依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题涉及的相关内容
• 1.3 激光空泡研究进展
• 1.3.1 空泡的产生
• 1.3.2 空泡脉动现象
• 1.3.3 空泡溃灭过程
• 1.4 空化空蚀破坏机理及其影响因素
• 1.4.1 空化空蚀破坏机理
• 1.4.2 空化空蚀的影响因素
• 1.5 空化的应用前景
• 1.6 本文主要研究工作
• 2 固壁旁单空泡生长和溃灭过程的数值模拟和理论研究
• 2.1 数值模拟相关理论
• 2.2 理想球形空泡动力学模型
• 2.2.1 空泡膨胀的情况
• 2.2.2 空泡收缩的情况
• 2.3 液体粘性对空泡脉动过程的影响
• 2.4 液体表面张力对空泡脉动过程的影响
• 2.5 含气量对空泡脉动过程的影响
• 2.6 液体温度对空泡脉动过程的影响
• 2.7 液体压缩性对空泡脉动过程的影响
• 2.7.1 拟声学近似法
• 2.7.2 Gilmore方法
• 2.8 本章小结
• 3 光偏转（OBD）法测量空泡生长和溃灭过程的系统组成和测试方法
• 3.1 测试方法概述
• 3.2 OBD法测量固壁旁空泡生长和溃灭过程
• 3.2.1 实验设备及测量装置
• 3.2.2 测试机理
• 3.2.3 典型信号
• 3.2.4 测试结果
• 3.3 OBD法测量靶所受力学作用
• 3.3.1 实验设备及测量装置
• 3.3.2 测试机理
• 3.3.3 典型信号
• 3.3.4 测试结果
• 3.4 本章小结
• 4 液体粘性对空泡生长和溃灭过程的影响
• 4.1 实验样品的制备
• 4.2 实验结果
• 4.3 液体粘性对空泡脉动过程的影响
• 4.4 液体粘性对靶材所受力学作用的影响
• 4.5 本章小结
• 5 表面张力对空泡生长和溃灭过程的影响
• 5.1 实验样品
• 5.2 液体表面张力对空泡脉动过程的影响
• 5.3 液体表面张力对靶所受力学作用的影响
• 5.4 本章小结
• 6 液体温度对空泡生长和溃灭过程的影响
• 6.1 实验样品
• 6.2 液体温度对空泡脉动过程的影响
• 6.3 液体温度对靶材所受力学作用的影响
• 6.4 小结
• 7 不同界面近旁激光空泡一维限度的测试与分析
• 7.1 生物医学工程中的空蚀现象
• 7.2 固壁面和弹性壁面附近激光空泡一维限度的测试与分析
• 7.3 单空泡在弹性壁面附近的演化规律
• 7.3.1 弹性材料
• 7.3.2 弹性模量对空泡最大泡半径的影响
• 7.3.3 弹性模量对空泡泡能的影响
• 7.3.4 弹性模量对空泡脉动时间的影响
• 7.4 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录