壁面与自由液面联合作用下气泡动态特性实验研究

壁面与自由液面联合作用下，气泡的动态特性与单独一个边界条件作用时相比要复杂很多，难于从理论角度分析探讨。为深入探究壁面与自由液面联合作用下的气泡动态特性，采用安全性高且实验效果理想的200V直流电压电火花气泡发生装置生成气泡，依次改变气泡发生位置距壁面及自由液面的距离，同时采用高速运动分析系统对不同工况下的实验结果进行采集与分析，得到了壁面与自由液面联合作用下的气泡形态变化，同时通过对大量实验数据的总结归纳，得到壁面与自由液面联合作用对气泡脉动周期、迁移轨迹及气泡内射流方向的影响规律，从而为相关的理论与数值研究提供参考。     

减压条件下近自由面气泡运动与水冢现象实验研究

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;现有实验研究因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。为深入探究近场气泡与自由液面相互作用规律,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,开展减压条件下气泡动力学实验,得到了计及浮力影响的近自由液面气泡运动形态变化和不同水冢现象。最后,通过大量实验数据总结归纳,得到近自由液面气泡运动周期、射流速度、水冢高度等随距离参数和浮力参数的变化规律,为相关理论与数值的研究提供参考。     

边界条件对水下爆炸气泡运动特性的影响分析

在近距爆炸条件下,受到边界的影响,水下爆炸气泡会出现非球状运动情况。为了得到球状气泡假设的适用条件,对深水自由场、近自由液面、近刚性壁和弹性边界等不同边界条件下水下爆炸气泡的动态特性进行了仿真计算。通过对气泡最大半径和脉动周期仿真结果的对比分析,可以得到如下结论:当爆心距离边界约等于气泡最大半径时,自由表面会使气泡的最大半径略有减小,周期缩短,刚性壁的影响与之相反,弹性边界的影响介于二者之间;在近自由边界条件下爆距大于2倍气泡半径,近弹性结构和刚性壁边界条件下爆距大于3倍气泡半径时,水下爆炸气泡可近似认为球状脉动。     

计及自由液面影响的水下有限深度圆柱壳自由振动分析

提出了一种求解有限浸没深度下圆柱壳振动特性的解析方法。采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳-液耦合振动方程,通过求解该方程,得到结构各阶固有频率。研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次模态固有频率,而且离自由液面越近,固有频率越大,但是随着浸没深度逐渐增加,自由振动特性很快趋近于无限域。与有限元软件Nastran计算结果对比表明该方法准确、可靠、简便,且具有计算量小、易于参数优化的优点,也为近水面结构流固耦合振动特性分析提供了新的思路。     

内置有水平挡板的矩形储液器非线性晃动分析

该文以内置有水平挡板的矩形储液器为研究对象,对储液器的非线性晃动问题展开研究。利用势流理论和虚功原理,推导了由水平挡板引起的储液器非线性阻尼比(非线性体现于波高有关)的计算公式,同时考虑水平挡板对储液器晃动频率的影响而对非线性阻尼比计算公式进行了修正。结合液体晃动的非线性分析理论,研究了水平挡板处于不同位置、挡板长度不同时储液器的液面波高与晃动力变化情况。利用Fluent软件进行了数值模拟,并与理论模型分析的结果进行对比。结果表明：当水平挡板靠近储液器底部或长度较小时,储液器内液体的非线性晃动现象较明显,利用非线性三阶模态方程推导得到的波高、晃动力与数值模拟结果较接近,而仅考虑一阶线性响应会明显低估储液器液面波高,但其求解的晃动力却与考虑非线性值的状况基本一致;随着挡板到自由液面距离的变小或挡板长度的增大,储液器液面波高、晃动力幅值减小,液体晃动呈线性变化,说明水平挡板靠近自由液面或增大其长度时能够提高储液器的阻尼比,进而也更能抑制液体的非线性晃动。同时水平挡板逐渐靠近自由液面或长度逐渐增大时,储液器晃动频率逐渐减小,减小的幅度分别可达到5.7%～28%。     

近水面状态有限长圆柱壳受迫振动的输入功率流和声辐射特性

基于声固耦合模型,采用波传播方法分析近水面状态有限长圆柱壳受迫振动的输入功率流和声辐射特性,并考虑了自由液面的影响。通过与有限元仿真结果进行对比分析,验证了该方法的正确性。当圆柱壳接近自由液面时,自由液面的存在致使水下圆柱壳输入功率流和声辐射特性的峰值频率向高频偏移,且响应幅值也略有增大。随着潜深的增大,自由液面对圆柱壳输入功率流特性的影响逐渐减小。当潜深大于5倍半径时,自由液面对耦合系统输入功率流的影响可以忽略,但其对耦合系统声辐射特性的影响不可忽略。     

气泡在自由液面破裂时间分析及颗粒的影响

以速度为标准,阐述了气泡从接触液面至破裂的3个阶段,并进行了同等条件下有/无疏水颗粒对气泡破裂过程影响的对比实验。基于所获的实验数据,分析发现加入疏水颗粒促进了气泡和自由液面的碰撞。利用Princen方程和MTR模型,计算得出随着碰撞次数的增加,液膜半径减小,同时液膜厚度相应减小;通过雷诺润滑理论证明了液膜厚度与气泡破裂时间的关联关系,并对破裂时间进行了定量分析。研究结果表明加入疏水颗粒可以使液膜厚度减薄,进而减小气泡破裂时间。     

浅水中气泡运动及水射流行为实验研究

为探究浅水中气泡与自由液面和水底固壁双重界面相互作用过程,利用高速摄影系统对电火花诱导气泡实验过程进行拍摄,对浅水中双重界面影响下的气泡运动和水射流现象进行实验研究。通过改变气泡到界面的无量纲距离,拍摄气泡与双重界面相互作用动态过程的图像。观察、总结气泡和射流形态变化,发现浅水中气泡运动没有明显的二次脉动过程;统计水射流发展初期最高点位置和速度变化信息,发现水射流发展初期高度基本呈线性增长。     

射弹跨声速入水初期阶段多相流场特性数值研究

为研究射弹跨声速入水初期阶段的多相流场特性,在考虑气、汽、液三相流体可压缩性的情况下对入水过程进行数值模拟。其中水的状态方程采用温度修正的Tait方程,空气与水蒸汽则认为是理想气体。将计算得到的阻力系数及空泡形态与试验及理论公式进行对比,验证数值方法的正确性。基于该方法对入水初期流场发展、流体可压缩性的影响以及入水高度的影响进行分析。结果表明:射弹以跨声速运动时会在头部产生弓形激波,随着入水的深入激波斜角逐渐减小;当射弹运动至原本未扰动的自由液面高度时,并未接触到水面而是使自由液面产生了凹陷;当入水高度较小时,入水撞击阶段发生较晚且入水拍击压力较大,当入水高度大于10 mm时入水高度对流场结构的影响很小。     

近自由面水下爆炸气泡与结构相互作用数值计算研究

近自由面水下爆炸气泡在自由面与结构共同作用下会呈现出非常复杂的运动特性,利用体积加速度模型确定气泡运动的初始半径及速度,针对流场特点,通过自行开发的子程序实现了流场初始条件与边界条件的定义,基于MSC.DYTRAN有限元软件的流-固耦合处理方法对近水面水下爆炸气泡与结构相互作用全过程进行数值模拟,通过与现有实验数据的对比,验证有限元模型建立和子程序开发的正确性。以此为基础,研究气泡与自由面、气泡与结构的距离以及结构初始角度等参数对气泡运动特性、射流角度、射流速度的影响规律,计算模型、方法及结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值。     

水底爆炸气泡脉动特性

为研究水底爆炸气泡脉动特性,采用PAMFLOW软件和基于JWL状态方程的气泡脉动计算程序对水底爆炸气泡脉动特性进行了数值计算,并用经验公式对自由水域爆炸气泡脉动特性进行了计算.计算结果表明水底爆炸在整个气泡运动过程中,气泡的中心向海底贴附,并形成指向海底的高速射流,气泡被压扁;水底爆炸的气泡膨胀半径大于在无限水域中爆炸;2种数值计算结果比较吻合,且与经验公式计算结果相符,说明采用这2种数值计算方法来研究水底爆炸气泡脉动特性合理.     

两点起爆加固黄土软基规律探究

运用数值仿真软件ANSYS/LS-DYNA模拟爆炸加固黄土软基的扩腔过程,以及应力波的传播过程。探究相同炸药量工况下,不同爆点距离对土壤加固密度的影响规律。研究结果表明:爆点连线中点处密度值随爆点距离的增加呈二次方递减,并得出爆点连线中点处土壤密度值随爆点距离变化的计算公式。并且发现加固后土壤密度最小值位于两爆点连线的黄金分割点上。探究两点起爆加固黄土软基的规律,可为今后研究多点起爆加固土壤的爆点布置距离奠定基础。     

含复杂声边界的圆柱壳结构声振特性研究

对复杂声边界内的结构振动-声辐射问题开展了研究。针对同时存在着自由液面和刚性壁面的复杂声边界问题,结合镜像法原理,应用双反射方法推导了复杂声边界条件下的圆柱壳结构远场声压方程式。最后,以直角空间域内的圆柱壳结构为例,进行了结构的声振特性数值计算。在算例中,对比了声边界特性、频率及与声边界的距离对声辐射功率、声辐射指向性的影响。研究成果为解决含复杂声学边界的声振问题提供了参考。     

水下爆炸气泡对内加筋圆柱壳结构毁伤机理分析

以内加筋圆柱壳为研究对象,对近距离非接触爆炸作用下气泡的脉动载荷以及气泡溃破高速射流对内加筋圆柱壳结构的毁伤机理进行计算分析,并且探讨结构参数、药包位置等相关物理量对结构变形特征与毁伤模式的影响。研究结果表明,水下爆炸气泡膨胀产生的膨胀脉动冲击造成结构的整体变形,另一方面气泡溃破所造成的高速射流(速度 > 100 m/s)则会对局部区域造成严重破坏,弹塑性边界以及自由液面效应会对气泡的形状产生显著的影响。     

基于欧拉单元的水下气泡高效数值仿真算法研究

基于Navier-Stokes方程的有限差分格式,对水下气泡脉动过程进行数值模拟,实现了一种能够精确处理复杂形状自由液面边界的数值算法。针对当前气泡脉动仿真算法计算效率低下的情况,提出能够提高计算效率的近场压力边界条件：将气泡远端流场近似为点源/汇流动,求出远端压力作为边界条件,从而实现小区域模型模拟无穷流域问题。通过近场边界压力合理性的判别机制,有效抑制了边界压力失真现象与数值震荡现象。将计算结果分别与理论公式和实验数据进行对比,证明了本文所述算法的可靠性与高效性。最后,对近壁气泡脉动和射流过程进行了数值模拟和定性分析。本方法可用于水下爆炸气泡脉动、螺旋桨空泡溃灭等过程的数值模拟和相应射流冲击载荷的预报。     

面向水面光伏电站的UPVC-FRP复合浮体系统受力试验与模拟

传统水面光伏电站常采用塑料浮体结构,但其强度低、耐久性差、易沉没,因此该文提出了一种面向水面漂浮式光伏电站的复合材料浮体系统。该复合材料浮体圆管采用在UPVC塑料圆管外侧缠包玻璃纤维增强树脂基复合材料(FRP)制成,对其制造安装流程进行了详细介绍,并对其组成材料的力学性能以及UPVC-FRP复合圆管的平压和弯曲性能进行了试验研究。综合考量其受力特性和经济性,优选出合理的复合浮体系统。进而,基于双向流固耦合数值模拟方法研究了该浮体系统因风、浪、流作用引起的水动力特性。结果表明,该复合圆管浮体方阵结构具备抵御风、浪、流作用的能力,结构安全可靠,为该浮体系统适用水域环境的选择提供参考。     

铝熔体旋转喷吹除气过程的数值研究

为了揭示铝熔体净化工艺中除气箱内净化气体的分布特性,利用欧拉模型和多参考坐标系法对铝熔体旋转喷吹除气过程中的气液两相流场进行了数值模拟,考察了离底间隙、气泡直径、除气箱形式等不同因素对流场产生的影响.结果表明,气体易从除气箱中心区域上浮至自由液面逃逸,边壁区的铝熔体不能与足够数量的氩气进行有效接触,不利于边壁区铝熔体的除氢,且在45°相位角位置处更加严重.减小离底间隙、减小气泡尺寸、采用方形除气箱可改善除气箱内气相的分布状况,有利于铝熔体的除氢.     

弹性结构入水砰击载荷特性三维数值模拟研究

依据双渐进法建立研究弹性结构入水砰击过程中弹性效应的数值方法。在弹性结构入水瞬态砰击过程中,自由液面速度势满足自由液面的非线性条件,并通过考虑结构运动非线性的伯努利方程将流体域控制方程与结构弹性动力响应方程耦合求解,计算结果与试验结果进行了比较分析。结果分析表明,流固耦合效应对弹性结构入水砰击载荷及结构弹性动力响应影响不可忽略。圆柱体倾斜入水过程中水平、垂向合力在头部入水和尾部入水时刻出现两个峰值;入水角度对船舶入水砰击安全性至关重要。     

高粘度液体真空搅拌脱泡理论分析与计算

真空搅拌脱泡是高粘度液体的一种有效脱泡方式。对于高粘度液体中的气泡,单靠自身的浮力上升,其速度是极其缓慢的,搅拌槽内生成的气泡主要依靠搅拌被带到近液面而逸出。建立了搅拌流场中的气泡运动方程,获得了气泡在流场中的相对运动速度。计算了气泡从液面逸出的总时间。真空搅拌脱泡过程主要发生在液面,论文分析了搅拌槽内真空度大小、主流体循环到液面的次数和主流体在液面停留时间对脱泡的影响。为保证气泡在近液面有足够的停留时间挣脱液面张力,必须要有一个合理搅拌转速。     

真空射流闪蒸特性的气泡动力学分析

针对液体射流的真空闪蒸特性,建立气泡动力学模型分析了射流内部的气泡生长特性,并提出用无量纲数C_h描述真空射流中的气泡生长条件。通过数值仿真方法模拟了气泡在真空射流中的生长过程,研究了气泡初始半径、液体粘度、射流温度和射流半径等参数对气泡生长的影响。在真空环境中开展了不同液体工质的真空喷射试验,试验结果与C-h数预测结果吻合良好;开展水射流的闪蒸试验,获得了破碎距离的变化规律,并与计算结果进行了对比分析。