计入枪体结构影响的可压缩气枪气泡动力学特性研究

Air gun is the most widely used low-frequency artificial seismic source in seabed resource exploration. After firing, air gun can release pressure waves to the surrounding fluid, and they will reflect back to the free surface at the interface of media with different densities on the seabed. Because different strata have different reflection characteristics, the distribution of underground resources can be detected by analyzing reflected wave signals. However, due to the different structure and complex working environment of air guns, there are still many basic mechanical problems to be studied in the process of air gun bubble pulsation. In this study, a three-dimensional compressible air gun bubbles model considering the influence of gun body structure is established by combining the finite volume method and interface tracking method. A large-scale air gun bubble experimental device will be developed to verify the validity of the model. On this basis, the effects of gun body structure, free surface and multi-gun coherence on bubble oscillation and pressure emitted from air gun will be investigated. This study is intended to provide theoretical reference for optimum design of air gun structure and basic technical support for deep-sea resource exploration.

气枪是海底资源探测中使用最为广泛的一种低频人工地震源，气枪激发会向周围流体释放压力波，压力波会在海底不同密度的媒质分界面反射回自由面，由于不同岩层具有不同反射特性，通过解析反射波信号即可探查地底资源分布情况。但由于气枪结构各异、工作环境复杂，气枪气泡脉动中仍有许多基础性力学问题有待研究。本项目拟结合有限体积方法和界面追踪方法，建立计入枪体结构影响的可压缩气枪气泡三维动力学模型，考虑气泡、气枪和周围流体的传质传热，发展大尺度气枪气泡实验装置，验证模型有效性。在此基础上，对气枪气泡脉动过程中的射流、上浮、融合、撕裂等复杂现象进行研究，探索枪体结构、自由液面、多枪相干、气泡群等对气枪气泡运动特性和压力波特性的影响，揭示气枪气泡脉动机理，为气枪枪体结构的优化设计提供理论参考，为深海资源探测提供基础性技术支撑。

本项目重点研究一种探测海底能源的高压气枪气泡震源技术。气枪是深海资源探测中应用最为广泛的人工地震源，利用地震波在不同海底介质处形成的反射波来探测海底结构，高压气枪不仅可以用于探测海底油气资源，还可以用于海底可燃冰等新型能源的探测。因此，高压气枪气泡动力学特性研究对于提高我国深海资源勘探能力及精度具有重要意义。目前，无论是气枪硬件还是软件技术，均被欧美等发达国家垄断，严重制约了我国在深海资源勘探领域的发展，虽然在高压气枪理论与数值模拟方面国内取得了较多的研究成果，但是由于高压气枪及其阵列的复杂性，在气枪气泡脉动抑制方法、枪体设计研究及近场压力计算上仍存在关键技术问题有待攻克。本项目结合有限体积和体积分数方法，分别建立了可压缩气枪气泡轴对称脉动模型和三维脉动模型，分析了气枪开口高度、开口位置和枪体长度对流场测点压力的影响，对比了环形开口和四开口气枪气泡脉动特性，探索了不同开口高度和宽度下的四开口气枪气泡脉动及其引起的周围流场压力变化。建立了改进的气枪气泡脉动模型，考虑了气体从气枪气室到气泡内部的质量传输，以及气泡与周围水之间的热量耗散问题，模拟了非球状相干枪气泡运动，探讨了气枪间距和气泡体积比对远场压力波的影响，找到了一个有效抑制气泡脉冲的临界距离值。在国家自然科学基金的资助下，在国际期刊发表学术论文8篇，其中SCI检索8篇，出版专著1部。申请专利和软件著作权7项。对气枪气泡脉动过程中的射流、上浮、融合、撕裂等复杂现象进行研究，探索枪体结构、自由液面、多枪相干、气泡群等对气枪气泡运动特性和压力波特性的影响，揭示气枪气泡脉动机理，为气枪枪体结构的优化设计提供理论参考，为深海资源探测提供基础性技术支撑。