受限制空间内的气泡行为数值与实验研究

论文摘要

气泡广泛存在于自然界的液体之中,从多方面影响着我们的生活。局部压力的降低会使液体发生空化而产生蒸气泡(又称空泡),并经历发展、溃灭和回弹等一系列动力学过程。外界气体也可通过多种方式进入液体之中形成气泡,同时液体中存在的微量气体作为“气核”对空化的发生有重要的促进作用。气泡的行为对自然界中的许多现象具有重要的意义,在流体机械、液压系统、水工结构中造成振动、噪声、空蚀等多种危害,在生物医学、MEMS和工程领域则有广泛的应用前景。长期以来,气泡行为的研究是流体动力学研究中的热点领域。但是,现有关于在受限制空间中气泡行为的研究较少,而这一问题对于气泡的科学认识和应用都有重要的基础性意义。本文结合理论分析、数值模拟和高速摄像观测等手段,对受限制空间中的气泡行为开展了较为系统和深入的研究。总结了约束液面形成冲击气泡的各种现象,得到了液滴冲击约束液面现象的无量纲参数域,分析了壁面约束和液滴振荡对冲击气泡形成过程的影响机理。定量分析了反气泡的溃灭过程,建立了溃灭速度模型。观察了管道内空泡的动力学行为和双空泡干涉现象,建立了管道内空泡动力学行为的BEM数值模型,分析了管道约束对空泡行为的影响规律,揭示了管道内单空泡／双空泡动力学行为的机理。论文的主要内容如下：第一章,绪论。阐述了本课题研究的背景与意义；综述了冲击气泡形成过程和空泡动力学行为的研究历史与现状；概括了本文的主要内容。第二章,空泡动力学数值模型研究。采用BEM方法建立了空泡动力学数值计算模型,阐述了其控制方程、边界积分方程、离散化方法、算法设置和计算流程,针对空泡发展过程中拓扑形状的变化给出了相应的数值处理算法。第三章,约束液面冲击气泡形成研究。总结了受约束液面形成冲击气泡的四种类型,给出了冲击现象的参数平面分布图；分析了壁面约束对延时气泡、大气泡和穹顶气泡等现象的影响,提出液滴形状振荡是大气泡形成区域间断分布现象的原因；发现反气泡开始溃灭后极短时间内可达到稳定的溃灭速度,建立反气泡溃灭速度的计算模型,发现溃灭速度与(б/pe)1/2成正比。第四章,管道内空泡动力学行为及双空泡干涉的研究。通过高速摄像观察了管道内单空泡的形态演化,采用数值模拟研究了特征参数对空泡体积和周期的影响；观察了管道内的双空泡干涉现象,得到了干涉现象的参数区域分布图,通过数值模拟分析了管道内双空泡干涉的机理。第五章,总结与展望。对论文研究工作和创新点进行了总结,对后续的研究工作进行了展望。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 冲击气泡形成的研究现状
• 1.2.1 液滴冲击广阔液面
• 1.2.2 冲击气泡
• 1.2.3 反气泡现象
• 1.3 空泡动力学行为的研究方法
• 1.3.1 理论模型
• 1.3.2 试验研究
• 1.3.3 边界元数值模拟
• 1.4 空泡溃灭的研究现状
• 1.4.1 单空泡溃灭
• 1.4.2 多空泡溃灭
• 1.5 课题主要研究内容
• 第二章 空泡动力学数值模型
• 2.1 控制方程
• 2.2 边界积分方程及计算
• 2.2.1 边界积分方程
• 2.2.2 空间离散化
• 2.2.3 边界积分方程的离散化
• 2.2.4 积分算法
• 2.3 算法设置
• 2.3.1 无量纲化
• 2.3.2 初始条件
• 2.3.3 网格划分
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 时间推进
• 2.4 计算流程
• 2.5 拓扑形状变化的处理
• 2.5.1 两空泡的融合
• 2.5.2 环状空泡
• 2.6 本章小结
• 第三章 受约束液面的冲击气泡形成
• 3.1 实验系统和参数
• 3.2 空腔底部的气泡形成
• 3.2.1 初级气泡
• 3.2.2 延时气泡
• 3.3 大气泡
• 3.4 穹顶气泡
• 3.5 液滴冲击约束液面的参数区域
• 3.6 反气泡溃灭
• 3.7 本章小结
• 第四章 管道中的空泡动力学行为与双空泡干涉
• 4.1 管道中单空泡的动力学行为
• 4.1.1 实验系统和参数
• 4.1.2 空泡的形状演化
• 4.1.3 压力分布
• 4.1.4 管道对空泡体积和周期的影响
• 4.1.5 管道中偏心空泡的动力学行为
• 4.2 管道中的双空泡干涉
• 4.2.1 实验装置和参数
• 4.2.2 融合与相向射流
• 4.2.3 反向射流
• 4.2.4 参数区域
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 课题研究总结
• 5.2 课题研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间获得的学术成果