减压条件下气泡与复杂边界相互作用机理研究

Bubble occupies an important position in the field of contemporary science and technology application. Especially the hull damage from the bubbles caused by underwater explosion, which is a key point research for navies in recent years. Near-field underwater explosion bubble subjects to larger buoyancy, which will couple with the hull, free surface and so on, because of the complexity of the boundary, the sensitivity of the bubble breaking controlled parameters, it is difficult to be solved by theory and numerical method; Using small equivalent, laser bubble or spark etc. to instead of real scale bubble is more adopted in existing experimental study, but the generated bubble size is small, leading to small buoyancy, it is difficult to guarantee its similarity with the real underwater explosion bubble. For this purpose, according to the similarity theory of underwater explosion bubble, this project is to design bubble dynamics experiment device, and to establish the bubble dynamics experiment method, to make the movement and the load characteristics of the bubble be more close to the real underwater explosion bubble, and combining with the established improved higher-order boundary element bubbles breaking numerical simulation method, to explore the interaction mechanism between bubble and complex boundary, the research content including: 1) The research of bubble dynamics experimental principle and method under the condition of reduced pressure; 2) The research of three dimensional numerical model of bubbles breaking under the complicated boundary; 3) The research of interaction mechanism between bubble and complicated boundary before breaking; 4) The research of load and movement characteristics of bubble under complicated boundary.

气泡在当代科学技术领域应用中占据了重要位置，特别是水下爆炸产生的气泡对船体的毁伤，是近年来各国海军研究的重点。近场水下爆炸气泡所受较大浮力，将与船体、自由液面等发生耦合，由于边界的复杂性、气泡溃灭受控制参数的敏感性，理论及数值方法较难进行求解；现有实验研究更多的采用小当量、激光泡或电火花等代替实尺度气泡，但其生成的气泡尺寸小，导致浮力较小，难以保证与真实的水下爆炸气泡的相似性。为此，本项目拟根据水下爆炸气泡相似理论，设计减压条件下气泡动力学实验装置，并建立其气泡动力学实验方法，使得气泡的运动及载荷特性更加接近于真实的水下爆炸气泡，并结合建立的改进高阶边界元气泡溃灭数值模拟方法，探索气泡与复杂边界相互作用机理，研究内容包括：1）减压条件下气泡动力学实验原理与方法研究；2）复杂边界气泡溃灭三维数值模型研究；3）溃灭前气泡与复杂边界相互作用机理研究；4）溃灭后复杂边界气泡载荷及运动特性研究

近场水下爆炸气泡与多种边界耦合的运动状态十分复杂，尤其是气泡在近边界附近会出现迁移、射流、撕裂等运动特性，并且自由液面会出现水冢、破碎等复杂物理现象，目前仅从理论方面无法对该复杂的物理过程进行分析，需要借助物理试验和数值试验的手段，才能探寻气泡与多种边界作用下的动力学机理。针对上述问题，本项目根据水下爆炸气泡相似理论，设计减压条件下气泡动力学实验装置，并建立其气泡动力学实验方法，并结合建立的改进边界元气泡溃灭数值模拟方法，探索气泡与复杂边界相互作用机理，完成情况如下：.1）减压条件下气泡动力学试验装置设计及试验方法研究。根据水下爆炸气泡相似理论，建立减压条件下气泡动力学试验方法；通过减少试验装置内部环境压力，使气泡尺度及相对浮力效应增大，从而营造与水下爆炸气泡浮力参数相似的条件，使得复杂边界附近气泡的运动形态更加接近于真实的近场水下爆炸气泡，为气泡与复杂边界相互作用的研究提供研究基础。.2）多边界气泡溃灭三维数值模型研究。在传统边界元方法的基础上，基于势流理论，建立改进的边界元数值方法；在时间离散过程中采用高阶Runge-Kutta法对气泡表面节点位置和速度势进行更新，在获得新的速度势和气泡节点坐标后进入循环，获得气泡运动随时间的变化历程，经减压条件下气泡动力学试验验证该数值模型具有较好的精度。.3）溃灭前气泡与多边界相互作用机理研究。通过减压条件下气泡试验，开展无限域中气泡的动态运动特性研究，总结气泡半径、周期、中心迁移等的变化规律；开展气泡与自由面和壁面两种边界的试验研究，探寻多边界附近气泡射流的形成条件，以及距离和浮力参数对气泡运动周期、迁移和射流的影响，得出边界对气泡吸引、抑制和撕裂的影响规律。.4）溃灭后多边界气泡载荷及运动特性研究。数值方面，采用BIM和涡环模型模拟环形气泡，建立多重涡环模型，模拟两个环形气泡之间相互作用，数值模拟与试验结果吻合较好；试验方面研究溃灭后边界附近气泡载荷和运动特性，环状气泡分离、射流规律，为现有的气泡动力学数值方法以及近场水下爆炸气泡对结构毁伤的研究提供参考。