水下气泡群耦合现象的数值模拟研究

在船舶领域，存在大量的气泡现象，如船舶在航行的时候螺旋桨产生的气泡群、尾迹中的小气泡、以及水下爆炸产生的大尺度气泡等，上述气泡运动对船舶结构、船舶的隐身均造成重大危害，其本质为气泡与气泡、气泡与边界的相互作用。为探索气泡群耦合机理，本课题拟将多极快速傅立叶变换方法(FFTM)与高阶边界元法(HOBEM)相结合，使得在合理的时间内模拟气泡群的物理特性成为可能。基于此，研究不同分布的气泡群之间的相互作用，模拟和解释各类气泡运动的物理现象，讨论影响气泡群膨胀、坍塌、迁移及射流形成的因素，旨在为相关气泡群的复杂物理特性研究提供参考。其主要研究内容包括：1）气泡群三维动力学数值模型；2）气泡群动力学数值模型的快速解法研究；3）气泡群之间的相互作用研究。

气泡广泛存在于自然界中，且种类繁多，比如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和上浮气泡等，它们在国防领域、船舶与海洋工程、化工、核能利用和医药等很多领域有着重要的工程应用。由于气泡在水中的运动十分复杂，伴随着膨胀、坍塌、迁移及射流等重要的动力学行为，所以气泡一直是许多学者感兴趣的研究方向。当多个气泡相互耦合或者气泡在不同边界附近运动时，常常会出现泡融合和撕裂等复杂的现象，其中仍有许多本质的问题有待深入研究。而且当气泡数目较多时，数值方法的计算效率存在很大的限制，这就需要改进或者开发新的精确高效的数值方法对气泡群以及气泡在不同边界条件下的动力学问题进行研究。. 本课题为了探究水下爆炸气泡、以及气泡群的耦合机理，首先建立了三维高阶边界元（HOBEM）方法，同时为维持气泡群模拟过程中的数值稳定性，引入弹性网格技术(EMT)。在此基础之上进一步融入了多极快速傅里叶变换方法（FFTM），使得在合理的时间内模拟气泡群的物理特性成为可能，并用现有的实验数据验证数值模型及算法的有效性和高效性。. 气泡群的动力学行为受初始条件和边界条件的影响很大，本课题首先通过对不同组合的多水下爆炸气泡相互作用的动态特性研究，探究了自由场中多个水下爆炸气泡之间的耦合效应；然后对气泡群在自由液面附近的运动特征进行了分析，而且发现了水冢的皇冠现象。在数值模型中加入气泡的表面张力，可将水下爆炸气泡数值模型应用到上浮气泡的模拟中，同时对上浮气泡的融合过程进行了初探。在数值模型中融入单向耦合质点粒子追踪法（OCPTM）后，可以模拟尾迹气泡在舰船尾涡作用下的运动、变形、溃灭等，针对螺旋桨区域和尾迹流场特性，探讨空泡发生条件，追踪尾迹空泡运动轨迹，模拟气泡被尾涡捕获及其撕裂等运动特性，旨在为优化设计尾流场提供参考。最后，在数值研究的基础之上，本课题还进行了水下爆炸气泡群的实验研究，在验证数值模型有效性的同时，可以更加直接，更加真实的研究气泡群之间的强非线性耦合效应，特别是气泡射流、撕裂或者融合之后的动力学行为。