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气泡动力学研究方法及进展 Part 4: westcotthc 2011-11-3 13:00; 1. 数值模拟研究气泡运动的数值模拟方法是从上世纪 70 年代前后开始出现的( Plesset 1967 )。采用数值技术模拟气泡非球形坍塌的好处是很明显的，水下爆炸实验比较复杂，难于实施，且只能得到粗略的结果。而当在流场中加入重力场和 / 或边界时，气泡的形状将不再是球形，因此 Rayleigh-Plesset 方程的假设也不再成立，而且对球对称模型进行摄动求解对于不规则的大变形情况通常是无效的。数值解则可以用于校对结果，并提供细节信息，数值方法还可以研究实验无法进行的情况。在气泡动力学领域中，边界积分法无疑是应用最成功、最广泛的方法。由于具有降维和拉格朗日性质，边界积分法的计算量小且精度较高，在模拟三维复杂几何形状边界面问题（如气泡运动）或者自由表面流时有其独特的优势。因此，为配合论文的研究内容，在此主要叙述边界积分法的应用发展情况。边界积分法首先被 Blake 、 Chahine 等人成功的应用于空化气泡模拟研究，随后， Wilkerson 将该方法引入水下爆炸气泡的数值模拟，经实践证明其对水下爆炸气泡模型的计算结果与实验数据吻合良好。经过二十多年的发展，对于气泡运动模拟中遇到的各种困难，人们对模拟方法进行了不断改进和完善，使边界积分法在水下爆炸领域的应用得以持续发展。为了求解气泡的表面速度，法向速度可由气泡表面定义的法向矢量获得，而切向速度则需通过沿边界面的速度势导数值及其插值计算获得。 Wilkerson (1990) 、 Chahine 等 (1988) 采用多项式插值，切向速度分量是由沿着气泡表面的速度势切向导数值确定。 Harris(1992) 提出了在边界面上用线性近似平均法求节点的法线方向的方法，通过节点周围单元的平均法线值可以得到节点法线的近似值，但这些方法的精度比较低，在细化网格时，方程的解不收敛。 Tong (1997) 采用径向基础函数代替多项式来近似气泡表面速度势，提高了近似计算的精度，然而该方法也具有局限性。 Zhang 等 (1998) 提出了以九节点单元为基础的三变量插值方法，但是这种方法有时会变得相当繁琐，随后他们又提出了一种新的简单、有效的方法，解决了问题。其基本思想是：尽管多面体 ( 离散的边界面 ) 的顶点的法线是不确定的，但是每个三角形面单元上的法线是可以确定的，由边界方程可以解出每个单元的法向速度，通过有限差分方法，就可以获得沿单元两个切线方向的速度，从而计算出在每一个具有确定节点的单元上的速度向量。在三维模拟方面， Wilkerson (1990) 应用对时间积分的边界积分法实现了气泡动态特性的三维数值模拟，但大量计算的网格动边界使计算气泡变得十分不稳定，针对这个问题， Zhang 等 (2001) 基于最小二乘法发展了三维局部曲面光顺方法，消除了计算过程中出现的高频局部波动，有效的抑制了计算过程中由于网格扭曲而引起的数值发散。当气泡的变形较大时，大多数单元将集中到射流形成的区域，导致射流区网格过密，而非射流区网格过稀，引起计算过程的网格畸变，针对这个问题 Wang 等 (2003) 提出了网格调整技术 (EMT) ，假定网格段是弹性的，弹性网格将每个时间步内储存在网格线段中的能量总和降到最低，从而优化网格，使得气泡演化过程中的网格更加均匀，计算更稳定。对于射流冲击形成环状气泡的过程， Best (1993,1994) 采用切割技术，将气泡从原始的单连通域过渡到射流冲击之后的多连通环形气泡，在气泡内布置一涡环代替涡面模拟了二维气泡的环状阶段。 Zhang 等 ( 1994) 在气泡的环状阶段定义了一个层来分离射流区和周围的流场区，这个层充当一个涡流面并随着流体运动，由于层的变形不能越过气泡表面，这使得在追踪表面时碰到很大的困难。为解决这个问题， Wang 等 (1996) 采用切割技术将气泡从原始的单连通域过渡到射流冲击之后的多连通环状气泡，在气泡内布置一涡环代替涡面模拟气泡的环状阶段，这样可以无需追踪涡面的运动，只需确保在气泡运动时涡环一直在气泡内。随后， Zhang 等 (2001) 将涡环用于三维环状气泡的模拟，实现了三维气泡的膨胀、坍塌、射流、回弹整个过程的数值模拟。在气泡与结构的相互作用方面，起初的模拟大都为气泡与刚性边界、自由面等理想边界的相互作用，如 Blake (1987) 、 Chahine (1988) 、 Zhang 等 (1993) 、 Wang 等 (1996) 等人的工作。近年来，随着流固耦合研究的发展，人们将边界元法与有限元法耦合起来计算，取得了较好的效果，如 Klaseboer 等 (2005) 、张阿漫等 (2006) 采用边界元法与有限元求解器耦合求解，分别计算分析了船体在水下爆炸气泡作用下的局部响应和鞭状响应。; 个人分类: 学习心得|8487 次阅读|0 个评论

气泡动力学研究方法及进展 Part 3: 热度 1 westcotthc 2011-11-3 12:51; 1. 理论研究早期的气泡动力学理论研究主要集中在水下爆炸方面 (Lamb 1923 、 Herring 1941 、 Kirkwood Bethe 1942 、 Cole 1948 、 Gilmore 1952 、 Trilling 1952) ，后来逐渐发展到空化气泡 (Plesset 等 1977 、 Blake 等 1987) 。近年来，受计算方法发展的影响，水下爆炸气泡的理论研究再次引起了人们的兴趣。下面就着重回顾前人的一些有关气泡在无限流场和边界附近动态特性的工作。 1.1 球形气泡动力学模型 Besant(1859) 首先对气泡进行了理论研究，发现了理想、无限流场中球形气泡的坍塌时间。 Lord Rayleigh (1917) 对这个气泡模型进行了改进，加入了气体的等温状态方程，并得到了由于膨胀运动产生的不可压缩流体动能。 Plesset(1949) 、 Noltingk(1950) 、 Neppiras(1951) 、 Poritsky(1952) 在空泡问题中分别发展了这个运动方程，使气泡动力学的理论研究达到了一个里程碑， Lauterborn (1976) 建议把这个方程称为 RPNNP 方程，以此来纪念 Rayleigh 、 Plesset 、 Noltingk 、 Neppiras 、 Poritsky 这五个人的贡献，也就是现在为人们所熟知的 Rayleigh-Plesset 方程：简化的 Rayleigh-Plesset 方程常常用于验证数值模型 (Wilkerson 1990 、 Chahine 1995 、 Wang 等 2004) ，在某些情况下，即使在忽略流体可压缩性和气泡表面的变形运动时，它仍然能够较好的预测气泡的运动。然而， Rayleigh-Plesset 方程的推导过程中采用了许多简化和假设约束，如气泡始终保持为球形、气泡内均匀、流体不可压缩、不计体力、输运和热传导等。 Prosperetti (1986) 的一系列工作表明：对于小气泡（平均半径 1 cm ），热传导和粘性的影响是主要的，如空化气泡；而对于大气泡，流体可压缩性的影响是主要的，如水下爆炸气泡。对于考虑流体可压缩性的气泡运动，大致存在三类近似模型，分别以不同程度引入了流体可压缩性。在声学近似模型中，假设流体中声速为一个有限的常数，只能够描述气泡脉动过程中能量的声辐射耗散，因此在本质上仍局限于不可压缩流。而 Herring-Trilling(1952) 近似模型中也采用了有限声速的假设，但是他考虑了流体压缩所储存的能量，可以准确的描述膨胀率较低的气泡的坍塌，由下式给出：以上这几种模型都没有考虑气泡内部波系的影响，因此， Geers Hunter (2002) 提出了一个统一模型 (consolidated model) ，把水下爆炸气泡的运动过程看成由冲击波和脉动两个阶段组成，前者作为后者的初始条件。脉动阶段气泡的半径和垂直迁移速度由双渐进近似模型给出：这个模型虽然带有一定的经验性质，但它同时考虑了气泡内部和外部波系的影响，从而能够更加精确的预测气泡在流体中的脉动和迁移。因此，在论文的数值模拟计算中也将采用类似的思想，即以爆轰形成初始气泡的状态作为气泡后续运动的初始条件，来模拟非球形装药水下爆炸气泡的运动过程。 1.2 考虑边界影响的气泡动力学模型由于流体介质总是要受到各种自然边界或人为边界的限制，气泡及其周围流场的运动必须发生改变来满足对应的边界条件。因此，当气泡在边界附近运动时，边界产生的压力场将传给气泡并影响气泡的运动。最早采用的研究方法是映像法，其思想是将气泡边界的运动看成气泡的径向脉动和气泡中心平移速度的叠加，而边界的影响则用映像点源或点汇来实现 (Cole 1948 ， Shima 1981 ， Soh 1992) ，这类方法过于简化，由于无法考虑气泡运动过程中的非球形效应，因此对于射流等现象难于研究。随后， Chahine Bovis (1981) 采用小参数（气泡初始半径与气泡中心到边界距离之比）对速度势作匹配渐进展开，以压力场的奇异摄动表征气泡的变形，研究了固壁附近非球形气泡的运动，包括气泡坍塌时产生的压力场，发现气泡内初始压力对气泡运动的影响和的同样重要。然而，这种方法在不满足，即初始气泡很接近边界时失效。 Benjamin Ellis (1966) 从另一个角度研究了边界附近气泡的运动，将开尔文冲量用于描述气泡的惯性现象。 Blake 等 (1987) 则进一步奠定了该方法的理论基础，并结合实验和数值模拟做了大量的工作，使气泡与边界相互作用的研究向前推进了一大步。开尔文冲量是根据势流理论推导出的用于表征气泡运动状态的一个量，它的实质就相当于气泡的动量，能够有效的预测气泡坍塌迁移的方向，气泡的开尔文冲量定义为：因此，与时间相关的开尔文冲量体现了浮力和边界对气泡的 Bjerknes 力作用，即决定了气泡的运动方向，从而能够预测射流的形成位置和方向。但是，这种方法也是以点源和点汇来表示流场，气泡始终是球形，并且只能考虑轴对称情况，因此也具有一定的局限性。总之，气泡在边界附近形成射流的机制在很大程度上受到边界性质（如刚度、惯量等因素）的影响，这是一个尚在研究中的课题，目前尚难以给出一个综合考虑各种因素的广义模型，相应的工作更多的是借助于数值模拟在进行。; 个人分类: 学习心得|15736 次阅读|2 个评论

气泡动力学研究方法及进展 Part 2: 热度 1 westcotthc 2011-6-18 23:04; 注：本文为作者原创，如需转载，请注明出处。 1 实验研究大量物理和工程问题中出现的气泡现象已经被科学家们研究了多年。由于同样具有破坏性以及工业上和军事上的需求，空化气泡和水下爆炸气泡很早就为人们所注意。这两种气泡的破坏能力与它们的坍塌机制有关，并且由于它们的宏观特性是相似的，因此往往被放在一起讨论，下面就从实验的角度来阐述这两种气泡研究的进展。 1.1 空化气泡的实验研究 1894 年，在英国第一艘驱逐舰的海试过程中， Thornycroft 和 Barnaby 发现驱逐舰的螺旋桨存在强烈振动，他们把这种现象归因于螺旋桨旋转所产生的气泡，这就是今天为人们所熟知的空化气泡。到了上世纪 50 年代，工业生产中的空蚀问题在实践中凸显出来，低压生成的小气泡在液压机表面产生的凹坑导致了机器效率的降低，这更加激发了人们的研究兴趣。为了研究气泡，首先必须人为地制造出气泡，迄今为止，人们主要采用过三种获得气泡的方法，分别是动力冲击法 (Kinetic Impulse) 、电脉冲法 (Spark Discharge) 和激光脉冲法 (Pulsed-laser Discharge) 。动力冲击法的基本原理是：将蒸馏水脱气处理后，利用物理冲击和惯性在水中瞬间产生张力，使电解得到的氢核生长形成气泡。 Naude Ellis (1961) 首先采用这种方法在试验水槽中观察到了固体边界附近气泡的射流现象，并认为这种射流是导致空化损伤的原因，然而，他们观察到的气泡是随着水流运动的，这不是一种有效的实验方式，特别是对边界问题的研究。因此，在随后的研究中， Benjamin Ellis (1966) 通过改进实验方法得到“静止”气泡，对固体边界附近气泡坍塌的机理进行了研究，如图 1 并初步解释了射流形成的原因，这些研究结果为 Kornfeld Suvorov (1944) 提出的射流冲击导致空蚀的猜想提供了强有力的支持。图 1 固体边界附近空泡坍的塌使用动力冲击法获得气泡的过程与实际情况最接近，然而由于必须对水进行严格的脱气处理，且气泡无法精确定位，这种方法很快为电脉冲法所取代。电脉冲法的基本原理是：利用高压电脉冲将局部液体电离成一个等离子区，这个等离子区进而迅速膨胀形成气泡。 Chahine (1977, 1995) 采用电火花气泡研究了距自由面一定距离上气泡的运动，发现自由面对气泡具有排斥作用，并将电火花气泡用于模拟实验室尺度的水下爆炸气泡，如图 2 。图 2 电脉冲产生气泡实验装置由于电脉冲得到的气泡边界比较粗糙，并且往往不具有球对称性，电极的存在也对气泡的坍塌有影响， Ellis (1971) 首先采用激光脉冲产生气泡的方法。激光脉冲法的基本原理与电脉冲法的类似，只是采用激光作为能量源，利用这种方法产生气泡除了能够精确地控制气泡产生的位置和时间外，还具有良好的球对称性，这样就保证了实验结果与理论研究的可比性。 Lauterborn Bolle (1975) 采用激光脉冲技术研究了固体边界和自面附近气泡的动态特性，实验装置如图 3 所示，得到了气泡表面不同部位的运动速度，将气泡坍塌前的数据与 Plesset Chapman (1971) 的数值模拟进行定量比较，结果符合很好。 Vogel 等 (1989) 和 Kroninger 等 (2010) 分别采用 PIV 和 PTV 技术研究了激光空泡周围局部流场的速度分布，实验结果与计算结果也符合得很好。图 3 激光脉冲产生气泡实验装置随着对气泡问题认识的不断深入，人们不再满足于研究简单边界条件（刚性边界、自由面）对气泡运动的影响。 Gibson Blake (1982) ， Shima (1989) ， Brujan 等 (2001) 和 Tomita Kodama (2003) 等人相继研究了非刚性边界附近气泡更复杂的动态特性，得到了一些可供参考的结论。特别值得一提的是， Gibson Blake (1982) 引入了边界惯性 m* 和边界刚度 k* ，这是首次采用定量的弹性系数来描述边界的性质。 Huang Hwangfu (2010) 认为开尔文冲量 I* 的简单模型能够较好的预测自由面或刚性壁面附近气泡的迁移，但是由于 I* 没有考虑弹性，因此它不能够很好的弹性边界附近气泡的运动，对于弹性边界附近气泡的动态特性尚需进一步研究。由于许多文献中同时讨论了空化气泡和水下爆炸气泡，因此研究人员往往将空化气泡的研究结果用于水下爆炸气泡研究。气泡动力学问题的本质是一个力学问题，爆炸气泡和空泡有着明显相似的力学本质。然而，实际上这两种气泡的物理过程又存在着重要的区别，由于炸药的爆炸过程远比脉冲产生空泡的成核过程剧烈，因此对于水下爆炸气泡来说，爆炸初期受外界的影响相对较小，主要的干扰因素来自于装药本身的性质，如药包形状、起爆方式等。爆炸气泡与空泡之间的另一个重要区别是坍塌的尺度，例如最大、最小体积比，对于空泡这个值较大，而水下爆炸气泡的则较小，这是受爆炸气泡内不可冷凝气体产物的影响。由于电脉冲空泡和激光脉冲空泡内产物为可冷凝气体，在气泡坍塌的高温、高压作用下，所有的这些反应产物可能溶解于周围的水中 (Didenko Suslick, 2002) ，而水下爆炸气泡是由炸药爆炸产生，过程更加剧烈，其产物与炸药的性质有关，大部分为不可冷凝气体。这些气体在气泡收缩过程中不会溶解于水，这也是水下爆炸气泡在坍塌过程中能量损失相对较小的原因，电脉冲 / 激光脉冲空泡的能量损失比水下爆炸气泡的高约 20% 。因此，通过直接利用炸药进行实验来研究水下爆炸气泡的动态特性仍然是很有必要的。 1.2 水下爆炸气泡的实验研究在第二次世界大战中，军事需求激发了水下爆炸领域内的大量研究。 Cole (1948) 的经典著作详细的囊括了这一时期水下爆炸领域内的基础及应用研究，如爆炸冲击波的峰值压力、相似律、气泡脉冲、气泡周期和理想边界附近气泡的运动等。二战后的水下爆炸实验研究仍然是以为工程应用服务为主要目标，研究对象也主要是冲击波的毁伤效应，对于气泡的实验研究则相对较少。然而，自海湾战争以来，实战和实船试验中均发现舰艇遭受鱼雷或水雷的水下爆炸攻击时，无论是近场还是远场情况，除了冲击波的作用外，水下爆炸气泡也可能造成相当严重的损伤，这使得人们重新开始重视水下爆炸气泡的实验研究。随着数字技术的发展和新材料、新工艺的使用，电测和光测技术得到了很大提高，尤其是高速数字摄影的普及使得高速摄影系统得以大大简化和小型化，水下爆炸气泡实验研究的门槛也相应得以降低。近年来，业界在小当量水下爆炸气泡实验研究方面已经取得了一些进展，实验主要在水箱或水池中进行。图 4 玻璃球中充可燃气体水下爆炸气泡实验最初， Menon 等 (1998) 利用充可燃气体的玻璃球在 2×1.5×2 m 水箱中引爆产生气泡，研究了单个气泡自由场脉动过程中的界面不稳定问题，但是，需要注意到的是气相爆轰与凝聚态炸药的爆轰性质是有区别的，而且玻璃球壳的碎片对气泡表面的运动有一定影响，如图 4 中的长暗条纹。随后， Klaseboer 等 (2005) 研究了球形 Hexocire 装药自由场水下爆炸气泡的运动，以及刚性 / 弹性边界附近气泡的动态特性，这是在水下爆炸问题中首次引入了弹性边界，但只研究了单一边界和单一爆炸距离，研究发现水下爆炸气泡对弹性板造成的响应与冲击波的作用是相当的，另外，由于实验是在Ф 18×7 m 的水池中进行，且药量达到数十克，他们得到的高速摄影图像很模糊，如图 5 。 Brett 等 (2008) 在 100×40 m 的水池中研究了塑性炸药水下爆炸作用下圆柱壳结构的响应，发现尽管气泡脉动压力引起的响应比冲击波引起的小，但是气泡坍塌形成射流作用引起的响应却为冲击波引起响应的两倍，这种大型水池更加适合进行大型结构实验，如图 6 ，其成本和复杂程度也很高。 Link 等 (2003) 在 2×2×2 m 的水箱中进行了一些小型 C4 药包水下爆炸气泡与边界相互作用的实验，高速摄影的效果相对较好。图 5 自由场条件 55 g Hexocire 水下爆炸气泡实验图 6 水下爆炸水池实验最近， Huang Hwangfu (2010) 在 4×4×4 m 的水箱中研究了不同边界附近雷管水下爆炸气泡的运动，得到的气泡图像清晰度很好，将结果与空化气泡的理论和实验结果进行比较后，他们认为边界局部振动和气泡脉动的相位差可能是预测迁移的有用的指标。对比分析这些实验结果可以明显看到，直接采用凝聚态炸药进行水下爆炸气泡实验的效果比采用可燃气体的好，一方面这样能够避免可燃气体外壳碎片的影响，另一方面凝聚炸药爆轰产物比较稠密，在边界处的压力性质与实际情况更相符。从 Klaseboer 等的实验还可以发现，在水池中虽然可以进行较大药量的实验，然而对光源的要求更高，因此高速摄影的效果往往较差，采用水箱进行实验则操作起来相对灵活，采光效果更好。另外，通过比较 Klaseboer 等、 Link 等和 Huang Hwangfu 的实验结果可以看到，雷管水下爆炸产生气泡轮廓的光滑程度更好，这可能与炸药的爆轰性质有关，高感度炸药爆轰反应更加完全，使得气泡内产物中的杂质更少，有利于高速摄影，但同时也应该注意到，由于雷管的药量过小，气泡坍塌形成的射流几乎很难看清。因此，在水箱中进行小当量水下爆炸气泡实验是可行的，采用高感度、药量适宜的炸药应当能够取得较好的实验效果。; 个人分类: 学习心得|6909 次阅读|1 个评论

水下爆炸气泡的基本现象及规律: 热度 3 westcotthc 2011-5-23 20:37; 水下爆炸气泡基本现象及规律炸药在水下爆炸时，爆轰波和产物膨胀引起冲击波在水介质中传播，称之为爆炸冲击波。而爆炸近区产物占据区域的周期性膨胀和收缩的衰减性振荡，称为气泡脉动。这些都是水下爆炸研究的重要方面，这里主要探讨水下爆炸气泡的运动过程及其中的重要现象。 1. 气泡的运动炸药在水下爆炸产生的气泡将展现出复杂的动态行为。爆轰结束时，气泡包含压力极高的气体，并开始迅速膨胀。这个膨胀持续进行直到气泡内压力远低于环境压力，这时气泡的体积比药包体积大很多倍，随后气泡开始收缩。随着气泡收缩，其内部压力再一次变大，直到气泡剧烈的回弹。这个膨胀 - 收缩 - 坍塌 - 回弹的过程将重复多次，如图 1 示。图 1 典型的水下爆炸历程 Fig.1 Typical underwater explosion event 在离爆炸较远的地方，水中压力的变化也有一个类似的过程。炸药爆轰结束时，初始药包变为高压状态下的高温气团，并对周围的水产生力的作用。水的可压缩性使得作用在其上的压力以冲击波的形式向外传递，冲击波的传播引起水的局部运动以及压力的变化。随后冲击波随时间近似按指数规律衰减，压力曲线上出现一个较长的负压区，并持续到第一个气泡周期的末尾。然后，气泡壁的迅速坍塌和回弹产生一个较大的压力波，持续时间比冲击波长，但幅值较冲击波小。这个二次压力波就是我们熟知的第一次气泡脉冲，且含有几乎与冲击波相同的冲量。在这次脉冲过后，负压区再次出现，直到再次坍塌，这时将形成另一次气泡脉冲。这个过程可能持续多次，但由于气泡在每次最小时都存在由几种不同机制引起的能量损失，压力波的幅值和气泡周期是逐渐减小的。图 1 中还给出了气泡的迁移和变形运动。当气泡膨胀时，它受到与排开水重量成比例的浮力作用。这将导致膨胀中的气泡开始向上迁移，并获得一个线动量，由于浮力与附加质量以相同的速率增加，此时的迁移运动是缓慢的。然而，随着气泡开始收缩，附加质量随之减小，为了保持动量守恒，迁移速度必须增大来补偿动量的变化，而且速度增加的速率与附加质量减小的速率相关，从而气泡在每次坍塌时都出现一个向上跳跃的现象。另外，在每次坍塌过程中，气泡的形状将发生改变，气泡变形的具体性质与迁移运动引起的压力变化有关。 2 .射流现象气泡或孔洞在“流体”中的非球形坍塌将产生高速射流，参见 Benjamin Ellis (1966) 、 Lauterborn Bolle (1975) 、 Plesset Prosperetti (1977) 、 Blake 等 (1987) 、 Best (1992) 等人的研究。这种现象很普遍，比如气泡在固壁或自由面附近作轴对称坍塌、气泡在冲击波作用下的坍塌以及在紊流空泡流中都会产生射流现象。图 2 振动边界附近气泡坍塌形成的射流图 3 固壁附近气泡的坍塌 Fig.2 Jet penetrating bubble in the direction of an oscillating boundary Fig.3 The collapse of a bubble near a solid wall 为便于简化，人们通常把射流分为两类来研究：一类是不考虑浮力的影响，气泡运动受到附近边界（自由面、刚性边界或弹性边界）的影响，导致非对称坍塌形成的射流，且射流的性质与边界性质、距离等因素有关，如图 2 、 3 所示；另一类是距边界较远，边界的影响可以忽略不计时，重力场中气泡上下表面压差不一致导致坍塌产生的向上喷射的射流，如图 4 所示。而在实际情况中，对于水下爆炸气泡来说，在大部分时间内气泡的体积都很大，因此，重力场和边界往往同时对气泡的运动产生重要影响，如图 5 所示的倾斜射流，这就使得射流的性质更为复杂。图 4 重力场中远离边界处气泡的坍塌、射流和回弹过程 Fig.4 Collapse, jet and rebound of bubble far from boundary under gravity field condition 射流的形成与气泡的非球形坍塌有着密切的联系。对于一个具有球形或类球形对称性的气泡，若不考虑静水压或周围压力梯度的影响，其形状在坍塌过程中是保持不变的，由于任意位置的坍塌都会阻止其对称部位的收缩，这种坍塌将不会产生射流。然而，实际情况中气泡的对称性完全可能由于周围边界产生的外力或小扰动的增长而破坏。如果一个坍塌的气泡具有非对称结构或在其表面上存在凹陷、凸起，从而不再保持对称结构，非对称性要么减弱要么增强，直到流场中产生奇异，形成尖点。由于这个原因，一个发展中的非对称性通常会导致气泡的某个部位产生满足奇异条件的射流。图 5 重力场中边界附近水下爆炸气泡形成射流的过程 Fig.5 Jet generated by an explosion bubble near a vertical wall under gravity field condition 3 . 总结根据基本现象及规律的叙述，水下爆炸可以用不同的时间尺度来区分，其中各个剧烈过程（冲击波的产生、气泡的膨胀和坍塌、迁移、射流）之间的时间间隔比这些过程的持续时间大 1~2 个量级。这些剧烈的过程中伴随着许多可能的能量转换机制（流体的动能和势能、气体的动能和势能、浮力产生的重力势能、表面张力产生的势能）和能量损失机制（流体中的声辐射、气体中的化学反应和分子弛豫、气泡表面上的热和质量输运）。其中冲击波过程以前一直是水下爆炸研究的主要对象，现在有大量的文献和研究成果，也有较成熟的算法，从冲击波的传播到与结构的相互作用，都有相应的数值模拟方法，也有大量的实验数据支持，而对于水下爆炸气泡的研究则仍处于不断发展之中。注：本文为作者原创，如需转载，请注明出处。; 个人分类: 学习心得|18515 次阅读|6 个评论

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