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船海工程中典型气泡的动力学特性数值模拟研究

黄潇  
【摘要】:在船舶与海洋工程领域,气泡的种类很多。其中比较典型的有:气枪气泡(群),水下爆炸气泡,空化气泡以及常压上浮气泡。这四种气泡在船海工程中有重要的应用,分别为:辐射气枪震源子波来实现海底资源的探测;通过脉动、坍塌射流等载荷来打击水面舰船、水中潜艇;借助气泡周期性振荡的流场压力和坍塌射流实现对船体湿表面的清洗;覆盖在航行船舶的底部,缩小船舶湿表面积,从而降低航行阻力。本文通过研究它们的运动、动态特性,及其在不同类型边界附近的演化特征,一方面对气泡动力学中特殊的物理机理和力学特性进行探究;一方面也旨在为上述工程应用的实现和优化提供可行性建议和基础技术支撑。数值方法是本文研究上述问题的主要工具。基于势流理论的对偶快速多极边界元方法(dual FMBEM)被用来求解大规模气泡群/气泡与复杂边界耦合作用。通过用快速多极方法(FMM)来加速由传统边界积分方程(cBIE)和超奇异边界积分方程(hBIE)线性组合而得到的对偶边界积分方程(dual BIE),实现了在普通桌面电脑上对有着数十万单元的大规模问题的求解。当线性组合系数x和h分别取1.0和0.4时,与传统边界元相比,对偶快速多极边界元在计算有N个边界单元的问题时,计算机中央处理器(CPU)耗时量级从O(N~(2.4))降低到O(N~(1.1));内存消耗则从O(N ~2)降低到O(N)。同时,快速算法的精度可通过控制边界积分方程核函数的展开阶数来保证,甚至不逊于传统边界元方法。论文将该方法用到了线性、平面和立体排布的气枪阵列气泡群动态特性的模拟当中。研究发现,重力和气泡之间相互作用的Bjerknes力共同决定了每个单个气泡的运动特性。气泡的运动效果(膨胀/坍缩)总是反抗着引起气泡边界运动的原因——流场压力,这与电磁学中的“楞次定律”颇为相似。气泡群中央的气泡受到外围气泡的隔离效应,其脉动周期更长,所能达到的最大半径更大。三维空间中规则排布的气泡阵列的整体坍缩情况与单个气泡的坍缩有较强的相似之处。同样,借助传统/快速边界元方法,论文考查了水下爆炸气泡在实尺度舰艇和不完整边界附近的运动以及气泡与水-气交界面之间的相互作用。由于水面舰船的阻隔,气泡在脉动过程中诱发的自由液面水冢,其高度超过同样工况下自由场气泡上方水冢高度的22%。研究还发现,海底的存在对于遭受爆炸气泡打击的潜艇利弊共存。海底既能吸收气泡能量,削减潜艇受到的弯矩,然而也有助于气泡水射流对潜艇砰击的发生。比如气泡距离潜艇一倍最大气泡半径时,考虑海底影响会使得潜艇遭受气泡射流砰击的“危险攻角”比相同工况下自由场中的范围大30~?。考虑冲击波对结构造成的初始损伤后,结构破口处的水-气交界面、自由液面和破损壁面这套不完整边界与气泡相互作用情况较为复杂。此时气泡坍缩时一般不会出现指向结构的水射流,但气泡的运动诱发了破口处的高速涌流。文中的特定工况下,涌流流速可达30 m/s,涌流深度超过6m;这会对破舱内部的设备结构造成严峻的二次打击。研究中还观察到了气泡造成的破口处的腔吸空穴和涌流水柱的颈缩截断现象。本着“由大到小,由高压到常压,由瞬态到持久,由传统到新兴”的研究顺序,论文接下来探索了在声场中的双空化气泡系统的运动特性。海洋中常见的小气泡成群出现,深入了解两个气泡相互作用正是研究多气泡相互作用的基础。随着声波幅值的变化,以初始时刻流场环境压力_0p和0.5p_0为界,分成的三个声波强度区间内,双气泡体现出十分迥异的动态特性。当声波幅值较低时,双气泡会经历多周期的脉动,在附近结构上造成拉-压交替的流场压力;同时,不同的声波和气泡固有频率比之下,气泡之间会发生相互靠近/远离/相对静止的迁移特性。当声波幅值较高时,气泡快速膨胀和坍塌,会出现超过200m/s的高速坍塌水射流,同时在流场中辐射出高于声波压力峰值一个量级的流场压力。本文认为,这两种气泡特性均有助于船舶、海工结构的表面清洗。弱声波作用下的气泡会使得结构表面附着物变得疏松,进而增强声波幅值,所发生的气泡溃灭便能够将它们剥蚀掉。这种清洁方式能够节省人力物力,具有应用价值。论文的最后一章中,基于动理学理论,通过自由能格子玻尔兹曼模型,来模拟流场中大密度比下,气泡从壁面开孔处的生长,脱落和上浮现象。发现静止流场中生成的首枚气泡对流场的扰动加快了后续气泡的生长和分离过程。而当气泡从有横向流动的流场上方的开孔处生成时,它在流体流动和浮力的共同作用下会附着在壁面上,将壁面和流场隔离开来。这正是船舶气体润滑系统的工作原理。研究中探索了流场水流速度和气体喷出速度之比l,发现该值相对较小时,气体对壁面的覆盖效果较好。在实际应用中船舶的航速是确定的,因此在工程中,应该寻找最优的气体喷出速度,来达到最小化能量消耗且最大化减阻效果的目的。


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