空泡群溃灭的细观机理研究

Cavitation can be often observed in liquid dynamics. Despite many efforts by cavitation investigators, there still remain some problems to be resolved in this field. The collapse of cavitation bubbles is one of important fundamental problems in cavitation process, but is still far from full understanding due to the complex multi-scale dynamics, ranging from the mesoscopic scale to the macroscopic level. This project will start with a perspective of mesoscopic dynamics, focusing on the following studies: the development of the interface-capturing numerical method for simulating the collapse of 3D deformable bubbles; the effect of bubble-bubble interactions on the evolution of bubble shapes, pressure wave generation and propagation; the relationships between the collapse rate of bubble clusters and several important parameters, such as the spatial distribution of bubbles and the parameters of surrounding fluid. These relationships will be much helpful in terms of improving the macro-level cavitation models.

空化现象普遍出现在以液体为介质的流体运动中。尽管研究人员已做了许多努力，但至今空化领域依然存在一些急待解决的问题。空泡群溃灭是空化过程中的重要基础问题，但是这一复杂过程由于涉及到从细观到宏观的多层次动力学问题，目前对其机理仍缺乏充分的理解。本项目拟从细观动力学角度出发，通过界面捕捉方法数值模拟三维可变形空泡的溃灭过程，研究在泡-泡耦合作用下空泡形态演化、压力波产生及压力波传播规律，揭示空间参数和环境参数变化对泡群溃灭速率的影响关系，进而为完善现有宏观空化模型提供理论支持。

自从Rayleigh建立了球泡运动方程，单泡理论已逐步得到完善，该理论已成为研究空泡运动、宏观空化模型的基础。然而以输运方程空化模型为代表的现代空化模型，在建模中仅考虑单泡运动影响，而忽略了空泡之间的相互作用，存在不可避免的缺陷。另外，在多泡情况下，空泡运动不再保持球形，很难用简化理论去描述它，因而需要借助于数值方法来研究空泡运动的细节流场。本项目采用数值模拟方法，在细观层面研究了空泡的运动，计算中分别采用了气体泡模型和蒸汽泡模型，从单泡、多泡到泡群的溃灭，展示了空泡间的强耦合作用，探讨了泡与泡之间的作用机制、影响因素。通过对蒸汽泡群运动的模拟，探讨了密集泡群的独特运动规律，在此基础上，建立了一种新的空化模型。