海底资源探测高压气枪气泡动力学特性研究

The high pressure air-gun array is environmentally friendly, economical and has stable repeatability. These outstanding features made it an ideal tool for exploring the seabed mineral deposits. In order to get the desired low-frequency and high-amplitude signature, the air-gun bubble dynamics as well as the signature properties should be extensively studied. In previous work, most of the studies on air-gun array bubble were either under spherical postulation or relayed on the packaged commercial softwares. The formation, non-linear interactions and asymmetrical characters of the bubbles were not seriously considered. To make up the shortfall, this project is intended to deal with the inflation and closure effect of the air gun. Besides, investigations of the heat and mass transfer, the effect of the air-gun body as well as the bubble translation, merger, split and asymmetrical deformation are all supposed to be conducted. Based on the hydrodynamic and thermodynamic theories, a 3-D air-gun array bubble dynamic model is built and computed to study the bubble dynamics and signature properties of the air gun. These researches will offer the theoretical basis and technical support for the high pressure air-gun exploration in ocean engineering. Detailed research contents are as follows: 1) Investigation of the high pressure air gun inflation and closure effect on bubble evolution; 2 Numerical study of the high pressure air-gun array bubbles dynamics; 3) Investigation on the pressure signature and spectrum characteristic of the high pressure air-gun array; 4) Experimental investigation of the high pressure air-gun bubble dynamics.

高压气枪阵列由于其绿色环保、重复性好等优点已被广泛应用于海底资源探测。为了得到低频带宽、能量高的气枪震源子波，需深入认识气枪气泡的动力学行为及其压力子波特性。以往研究多基于球形气枪气泡理论或依赖于封装的通用软件，忽略了气枪气泡的生成过程、气泡间非线性耦合作用以及气泡非球状特性。为此，本项目拟计入高压气枪的“充气”和“截流”效应、传质传热和枪体等因素，考虑气泡迁移、融合、撕裂以及非对称射流的影响，依据流体动力学和热力学理论，建立高压气枪阵列气泡群三维动力学模型与计算方法，探索气枪气泡动力学行为与流场中的压力子波特性，为海洋资源高压气枪阵列探测提供理论和基础技术支撑。具体研究内容如下：1) 高压气枪“充气”和“截流”效应对气泡脉动的影响规律研究；2) 高压气枪阵列气泡群动力学行为研究；3) 高压气枪阵列气泡压力子波与频谱特性研究；4) 高压气枪气泡动力学特性机理性实验研究。

高压气枪由于其绿色环保、重复性好等优点已被广泛应用于海底资源探测。为了得到低频带宽、能量高的气枪震源子波，需得到气枪震源的压力子波并深入认识其震源特性。前人研究多基于球形气泡理论或依赖于封装的通用软件，忽略了气泡生成过程、气泡间非线性耦合作用以及气泡非球状效应。为此，本项目首先联合边界元法和二阶双渐近法建立了可压缩流场中三维气枪气泡动力学模型，计及气枪结构、梭阀大小等参数的影响，更精准模拟气泡行为，同时计算气泡引起的流场压力；其次，针对气枪阵中的气泡群耦合问题，建立了全非线性气泡群耦合模型，计及气泡上浮、射流、融合和撕裂等因素的影响，同时开发了快速多极子方法加速边界元算法。此外，自主设计实验室条件下的气枪气泡缩比实验装置和实验方法，验证数值模型的有效性。最后，将粒子群等智能优化算法嵌入气枪阵列的计算中，形成以压力波频谱特性为优化目标的气枪阵列优化程序，为海洋资源探测提供理论和基础技术支撑。在此项目的支持下，按照任务书的计划完成预期研究内容，实现了预期目标，达到了预期指标，取得了预期成果。具体成果如下：发表学术论文17篇，其中SCI检索17篇，EI检索17篇，出版专著1部。研究成果支撑获得全国创新争先奖状1项，国家技术发明二等奖1项，科学探索奖1项等，申请国家发明专利8项，软件著作权5项。完成博士学位论文5篇和硕士学位论文11篇。承办与参加重要的国内、国际学术会议10余人次，邀请国际著名专家Wang Q.X.教授等来华讲学3人次，有效促进了国内外学术交流。