減壓條件下近自由面氣泡運動與水冢現(xiàn)象實驗研究

減壓條件下近自由面氣泡運動與水?，F(xiàn)象實驗研究

崔杰1，崔璞2，周塞北1，姚熊亮2

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212003;2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001)

摘要：近場水下爆炸氣泡所受較大浮力，將與船體、自由液面等發(fā)生耦合，由于邊界的復(fù)雜性、氣泡潰滅受控制參數(shù)的敏感性，理論及數(shù)值方法較難進(jìn)行求解；現(xiàn)有實驗研究因其生成的氣泡尺寸小，導(dǎo)致浮力較小，難以保證與真實的水下爆炸氣泡的相似性。為深入探究近場氣泡與自由液面相互作用規(guī)律，根據(jù)水下爆炸氣泡相似理論，設(shè)計減壓條件下氣泡動力學(xué)實驗裝置，開展減壓條件下氣泡動力學(xué)實驗，得到了計及浮力影響的近自由液面氣泡運動形態(tài)變化和不同水?，F(xiàn)象。最后，通過大量實驗數(shù)據(jù)總結(jié)歸納，得到近自由液面氣泡運動周期、射流速度、水冢高度等隨距離參數(shù)和浮力參數(shù)的變化規(guī)律，為相關(guān)理論與數(shù)值的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：減壓；氣泡；自由液面；水冢；實驗

中圖分類號:N913;T31;T1.47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.19.006

Abstract:Near-field underwater explosion bubble is coupled with a ship’s hull, and free surface of liquid due to a prodigious buoyancy exerted on it. This problem can’t be solved with theory or numerical methods, due to the complexity of boundaries and the sensitivity of bubble breaking to controlling parameters. The similarity of the current tests to the actual under water explosion bubble can’t be guaranteed because the current tests mostly produce smaller bubbles to cause smaller buoyancy. In order to study the interaction between near-field bubble and free surface of liquid, a multi-function test apparatus operating under reduced air pressure was designed according to the similarity theory of underwater explosion bubble. The changing processes of bubble form near free surface and different phenomena of bubble plume were obtained through tests considering buoyancy changing. Finally, on the basis of a large amount test data, the change laws of motion period of bubble near free surface, jet velocity and height of bubble plume, etc. with the variation of distance and buoyancy were found. The results provided a reference for the relevant theoretical and numerical studying.

基金項目：國家自然科學(xué)基金(11272167)

收稿日期：2015-02-07修改稿收到日期：2015-04-12

Tests for bubble pulse features and bubble plume under hypobaric condition

CUIJie1,CUIPu2,ZHOUSai-bei1,YAOXiong-liang2(1. School of Naval Architecture and Offshore Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China;2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Key words:pressure reduction; bubble; free surface; bubble plume; experiment

氣泡在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用中占據(jù)了重要位置，特別是水下爆炸產(chǎn)生氣泡對船體的毀傷，是近年來各國海軍研究的重點。近場水下爆炸氣泡所受較大浮力，將與船體、自由液面等發(fā)生耦合，由于邊界的復(fù)雜性、氣泡潰滅受控制參數(shù)的敏感性，理論及數(shù)值方法較難進(jìn)行求解，研究人員通常在水池中進(jìn)行近場水下爆炸模型實驗，在水箱中進(jìn)行小當(dāng)量的水下爆炸實驗，或者采用電火花、激光等代替真實的炸藥進(jìn)行氣泡機(jī)理性的實驗。Benjamin[1]采用鉑電極獲得氫核，開展氣泡在邊界附近潰滅機(jī)理實驗，氣泡距離壁面1.5mm，利用高速攝影技術(shù)記錄了氣泡膨脹、坍塌及射流整個過程，并對氣泡射流的成因做以初步解釋。Chahine[2]開展電火花氣泡相關(guān)實驗，研究不計重力時，近自由面氣泡的運動，發(fā)現(xiàn)氣泡坍塌將產(chǎn)生背向自由面的射流，其自由面對氣泡具有排斥作用。Dadvand[3]研究了近自由面附近帶孔平板下氣泡射流產(chǎn)生水滴噴射過程的規(guī)律，實驗發(fā)現(xiàn)圓孔大小和氣泡到孔距離影響氣泡射流形態(tài)，通過圓孔產(chǎn)生的噴射水柱尺寸約為圓孔尺寸的25%，張阿漫[4]采用常壓電火花氣泡實驗的方法，對氣泡與自由液面之間的耦合進(jìn)行了研究，得到了忽略氣泡重力情況下自由液面對氣泡運動的影響規(guī)律. 張阿漫[5]研究固壁上方氣泡射流沖擊后的運動規(guī)律，數(shù)值與實驗吻合較好。

從國內(nèi)外學(xué)者對氣泡實驗的研究可以看出，由于電火花產(chǎn)生氣泡的電壓較小，所得氣泡尺寸較小，實驗大都不計及浮力的影響，然而真實的近場水下爆炸氣泡脈動及坍塌過程很大程度上受到浮力的作用，其自身坍塌射流及在邊界附近的運動規(guī)律都與無浮力影響的氣泡運動有很大的區(qū)別，難以保證與真實的水下爆炸氣泡的相似性。為此，本研究在已有電火花氣泡實驗方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)可減壓的壓力容器裝置，實現(xiàn)可將容器內(nèi)環(huán)境壓力減至0.01個大氣壓，而且容器內(nèi)的壓力大小可以調(diào)整，那么氣泡的尺寸和浮力效應(yīng)均會增大，使得氣泡的運動及其載荷特性更加接近于真實的水下爆炸氣泡。在此基礎(chǔ)上，研究近自由面氣泡運動特性與水?，F(xiàn)象。

1減壓條件下氣泡動力學(xué)實驗方法

本文根據(jù)水下爆炸氣泡相似理論設(shè)計減壓實驗裝置[6-7]，采用電火花生成氣泡的方法[8-9]，將發(fā)生裝置置于減壓容器內(nèi)部。減壓實驗裝置主體高1800mm，內(nèi)徑800mm，內(nèi)部敷設(shè)低阻抗材料。觀察窗口間距1000mm，長400mm、寬200mm，左右兩側(cè)圓形光源窗口直徑200mm，上方封頭左端布設(shè)真空精密壓力表，右端布設(shè)進(jìn)、排氣管道，容器內(nèi)環(huán)境壓力可減至0.01個大氣壓，具有良好的氣密性，在較長的時間內(nèi)可以保證容器內(nèi)壓力穩(wěn)定。實驗時將容器中沖入所需高度的蒸餾水，電極放置在減壓容器視窗中心的位置。利用APX-RS高速相機(jī)通過觀察窗口記錄減壓條件下氣泡與自由面的相互作用。實驗過程中利用真空泵對減壓容器進(jìn)行抽真空處理，壓力表對其實時觀測，減壓氣泡實驗系統(tǒng)見圖1。

圖1　減壓實驗裝置系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the experiment system

2計及浮力影響氣泡與自由面相互作用

2.1計及浮力影響的自由面水?，F(xiàn)象

氣泡在自由液面附近運動時，由于自由液面的Bjerknes[10]力及自身重力的影響，使氣泡產(chǎn)生非球形的脈動及坍塌，產(chǎn)生水冢和射流兩種重要的物理現(xiàn)象，這種兩種物理現(xiàn)象在水幕反導(dǎo)[11-12]、淺灘排淤等工程技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)減壓氣泡與常壓氣泡實驗現(xiàn)象存在較大差異，不僅與距離參數(shù)有關(guān)，還與浮力參數(shù)有很大關(guān)系；隨這兩個參數(shù)的改變，近自由液面氣泡將會產(chǎn)生不同水?，F(xiàn)象。本文通過實驗得到計及浮力影響的10種水冢形態(tài)，見圖2。為了便于研究，實驗數(shù)據(jù)曲線采取無量綱的形式，令無量綱距離參數(shù)γf=d/Rm、浮力參數(shù)δ=(ρgRm/△P)1/2(d為爆點距自由面距離，Rm[4]為氣泡最大半徑，△P為壓力差)，坐標(biāo)系選取在氣泡中心位置，Z軸正方向與重力方向相反。將“水?！睆漠a(chǎn)生到回落至自由表面的時間定義為“水冢周期”。

從圖2(a)～(c)可以看出由于氣泡距離自由面較近，水冢現(xiàn)象不穩(wěn)定，自由液面直接受到氣泡膨脹沖擊的作用直接破碎。圖2(d)～(g)可以看出隨著γf的增加水?，F(xiàn)象穩(wěn)定，由于浮力的存在氣泡在坍塌的末期形成上下兩股射流，見圖2(g)中t=23.3ms。圖2(e)為酒杯型水冢，此時d=15.94mm，Rm=31.01mm，γf=0.514，δ=0.210。該工況下可以形成較為穩(wěn)定的射流。在t=6.67ms時，氣泡與自由液面頂部分離形成兩股朝向相反方向的水流，在氣泡上部自由面中心形成較為復(fù)雜的破碎濺射型水流繼續(xù)向上運動，該水流的初始速度為7.80m/s，而在氣泡內(nèi)部則產(chǎn)生背向自由面射流，如t=11.3mm所示，其內(nèi)部射流速度約為14.61m/s，此時射流寬度約為9.48mm。在t=13.3ms時，受自由液面Bjerknes力影響，氣泡呈現(xiàn)非球形坍塌其上表面扁平，氣泡內(nèi)部射流已經(jīng)穿過氣泡下表面形成不穩(wěn)定的環(huán)狀氣泡，而自由液面中心水柱則繼續(xù)升高。t=30.0ms，水冢在向上運動的過程中與內(nèi)部中心的水柱融合為一體繼續(xù)向上運動，于t=46.7ms形成典型的酒杯狀水冢。

圖2(h)～(j)為氣泡所受浮力相對Bjerknes力占優(yōu)的情況，產(chǎn)生向上的射流，自由面直接受到其射流的沖擊所形成的水冢與前面大不相同。圖2(j)所示為冰山型水冢，該工況d=88.33mm，Rm=56.91mm，γf=1.552，δ=0.821。氣泡與自由液面作用規(guī)律與風(fēng)帆型、蓮花型水冢工況相似，在氣泡膨脹到坍塌的整個過程中，浮力始終做主導(dǎo)地位，產(chǎn)生向上的射流。由于該工況爆點距離自由液面較遠(yuǎn)，氣泡膨脹過程中受Bjerknes力影響較小，呈現(xiàn)球形的膨脹；自由液面受氣泡膨脹的影響其表面被微微的頂起。在坍塌的過程中氣泡下表面呈現(xiàn)扁平形狀，氣泡中心內(nèi)部形成朝向自由表面4.59m/s的射流。在t=73.3ms時，氣泡內(nèi)部射流沖破氣泡上表面，伴隨著該環(huán)狀氣泡的第二次脈動上浮，其膨脹形態(tài)呈現(xiàn)樹葉狀，上方尖角兩邊平坦。氣泡上表面上浮速度3.36m/s，首先到達(dá)自由表面并將其局部抬起，此時氣泡所受的浮力依然很大，自由表面整體受到氣泡上浮的作用，按照原樹葉狀氣泡膨脹的形態(tài)向上運動，如t=96.7ms所示。隨后氣泡繼續(xù)上浮、坍塌及射流，射流水柱沖擊自由液面中間區(qū)域使其繼續(xù)向上運動呈現(xiàn)冰山形狀，如t=120ms所示。

圖2　不同工況水?，F(xiàn)象 Fig.2 Phenomenons of bubble plume

2.2水?，F(xiàn)象隨γf和δ的變化規(guī)律

本文通過實驗總結(jié)得出水?，F(xiàn)象與γf、δ參數(shù)的變化規(guī)律，見圖3。圖中綠色虛線左方表示不能形成穩(wěn)定的水冢，右側(cè)則表示水冢形態(tài)穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)γf=0時，無論δ取何值，氣泡產(chǎn)生初期在自由表面破碎，僅形成唯一 “點水型”水冢形式；0<δ<2時，近似出現(xiàn)文獻(xiàn)[4]中相同的水?，F(xiàn)象。0<δ<0.8時，浮力的影響因素較大，水?，F(xiàn)象與無浮力時也有較大不同，無法產(chǎn)生常壓氣泡文獻(xiàn)[4]中的“沖天型”水冢；δ>0.8時，氣泡膨脹到坍塌的整個過程中，重力始終做主導(dǎo)地位，氣泡在近自由液面附近運動時僅產(chǎn)生向上射流，無法產(chǎn)生背離自由液面向下射流。γf較小時同樣產(chǎn)生“零碎型”和“飛濺型”水冢，只是形態(tài)稍有不同，隨γf的增加，雖然有自由面Bjerknes力的作用，但氣泡在強(qiáng)浮力參數(shù)(δ>0.8)的作用下仍產(chǎn)生向上射流，因此無法產(chǎn)生“酒杯型”和“皇冠型”水冢，取而代之為“風(fēng)帆型”、“蓮花型”和“冰山型”水冢。圖3可為“水幕反導(dǎo)”做以參考。

圖3　水?，F(xiàn)象分布示意圖 Fig.3 Distribution of the bubble plume

2.3距離參數(shù)γf的影響

本節(jié)研究相同浮力參數(shù)(δ=0.25)時，氣泡射流速度V(jet)、上表面射流寬度D(jet)、周期T、開始射流時間T(first-jet)及氣泡坍塌時刻中心移動距離H′等物理量隨距離參數(shù)γf的變化規(guī)律。將氣泡產(chǎn)生的射流沖破氣泡表面時的速度定義為射流速度，實驗首先測量氣泡射流的運動軌跡，然后將其對時間求導(dǎo)得到該時刻的氣泡射流速度。從圖4中可以看出γf的增加，周期T及T(first-jet)時間呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。當(dāng)γf>2時，氣泡僅在坍塌最小時刻產(chǎn)生射流，所以在圖中呈現(xiàn)開始射流時間與周期相似的曲線。圖中多條曲線都以1為分界線，當(dāng)γf<1時，隨著γf的增加氣泡射流速度呈下降趨勢，氣泡坍塌時刻中心移動距離和氣泡射流寬度都呈現(xiàn)上升趨勢，即當(dāng)氣泡距離自由表面一倍氣泡半徑左右時，隨著距自由表面距離的減小，射流寬度越細(xì)其速度越快，氣泡中心下降越??；對于氣泡中心移動距離H′，當(dāng)γf>1時，隨著γf的增加氣泡中心呈現(xiàn)先回落初始位置再正方向遠(yuǎn)離的趨，當(dāng)1<γf<1.7時，隨著γf的增加，射流寬度D(jet)逐漸變窄，氣泡上表面坍塌射流速度V(jet)逐漸增加；當(dāng)1.7<γf<3時，氣泡由向下射流變成對射流，并受自由表面的影響逐漸變小，最后轉(zhuǎn)變成向上射流，當(dāng)γf>2時，氣泡上表面幾乎不產(chǎn)生射流，所以其相應(yīng)的射流寬度趨于0，該區(qū)間氣泡上表面的運動速度隨著距離參數(shù)的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖4　近自由表面氣泡運動各物理量隨γ f變化曲線 Fig.4 Variations of the physical quantities of the bubble pulsating near the free surface with γ f

2.4浮力參數(shù)δ的影響

本節(jié)研究相同距離(參數(shù)γf=0.9)，不同浮力參數(shù)δ時，自由表面及氣泡上、下表面(Hf)隨時間變化規(guī)律。從圖5可以看出，浮力參數(shù)0<δ<1時，水冢高度隨時間的變化曲線呈典型的拋物線狀；水冢所能達(dá)到的最大高度隨浮力參數(shù)δ增加，而呈現(xiàn)明顯減小的趨勢。各工況中水冢達(dá)到最大高度前，隨著浮力參數(shù)δ的增加，其水冢高度隨時間變化曲線越為陡峭，即上升速度越快；而在各工況水冢達(dá)到最大高度后，其水冢下降速度隨δ的減少，呈現(xiàn)減慢的趨勢。從“水冢周期”中還可以看出，浮力參數(shù)較明顯改變了“水冢周期”，浮力參數(shù)δ減小對“水冢周期”增加有促進(jìn)作用。從圖6可以看出，隨著δ的增加，即容器內(nèi)壓力的降低，氣泡下表面運動軌跡逐漸平緩，即運動速度逐漸減慢，對上表面影響較小；δ的變化對自由表面附近氣泡的運動無量綱周期影響較大；氣泡無量綱周期隨著浮力參數(shù)δ的增加而呈減小的趨勢。

圖5　不同δ時，自由表面頂點位移變化 Fig.5 Displacement-time curves of the free surface acme with different δ

圖6　不同δ時，氣泡上、下頂點位移變化 Fig.6 Displacement-time curves of the top and bottom points of the bubble with different δ

2.5距離參數(shù)γf與浮力參數(shù)δ共同影響

本節(jié)研究距離參數(shù)γf與浮力參數(shù)δ共同作用下，氣泡與自由表面相互作用規(guī)律。將δ從0.1設(shè)置到1.2，γf從0設(shè)置到3進(jìn)行多組實驗，為了便于觀察定義η為“壓力度”即為容器內(nèi)部壓力與大氣壓力的比值。圖7為不同δ時，自由表面頂點位移Hf隨γf變化曲線。從圖中可以看出，氣泡距自由面無量綱距離γf=1.0附近是水冢高度變化的分界點，該分界點不隨浮力參數(shù)的變化而改變；當(dāng)γf<1.0時，水冢高度隨無量綱距離的減小而迅速下降；當(dāng)γf>1.0時，水冢高度隨γf的減小而緩慢的變化，水柱高度隨γf的增大近似呈指數(shù)形式衰減；隨著浮力參數(shù)δ的減小，自由表面頂點位移呈增加的趨勢。可見，在水冢分界點左側(cè)，水冢高度受距離參數(shù)、浮力參數(shù)共同影響較大，在分界點右側(cè)受兩參數(shù)的影響較小。

圖7　不同δ時，自由表面頂點位移隨γ f變化 Fig.7 Variation of the displacement of the free surface acme with γ f when δ at different delta

圖8　不同δ時，氣泡周期隨γ f變化 Fig.8 Variation of the bubble period with γ f when δ at different delta

圖9　不同δ時，氣泡中心位移隨γ f變化 Fig.9 Variation of the displacement of the bubble center with γ f when δ at different delta

圖10　不同δ時，氣泡射流速度隨γ f變化 Fig.10 Variation of the velocity of the bubble jet with γ f when δ at different delta

3結(jié)論

本文采用減壓條件下實驗的方法，配合高速攝影技術(shù)，開展計及浮力影響下氣泡與自由表面相互作用機(jī)理實驗，研究近自由液面氣泡運動特性隨距離參數(shù)和浮力參數(shù)的變化規(guī)律，并分析各種類型水冢形成的原因，得出以下結(jié)論：

(1)氣泡在自由液面附近運動時，將會與自由液面產(chǎn)生復(fù)雜的耦合作用，形成水?，F(xiàn)象；距離參數(shù)γf和浮力參數(shù)δ是影響氣泡運動的兩個重要因素，水?，F(xiàn)象可按γf和δ分布規(guī)律做以初步判斷。

(2)相同浮力參數(shù)條件下，距離參數(shù)γf增加，氣泡脈動周期及第一次射流時間呈現(xiàn)緩慢上升趨勢；當(dāng)γf<1時，隨著γf的增加，氣泡射流速度呈下降趨勢，氣泡坍塌時刻中心移動距離和氣泡射流寬度都呈現(xiàn)上升趨勢；對于氣泡中心移動距離，當(dāng)γf>1時，隨著γf的增加氣泡中心呈現(xiàn)先回落初始位置再正方向遠(yuǎn)離的趨勢；當(dāng)1<γf<1.7時，隨著γf的增加，射流寬度逐漸變窄，氣泡上表面坍塌射流速度逐漸增加；當(dāng)1.7<γf<3時，氣泡由向下射流變成對射流，并受自由表面的影響逐漸變小，最后轉(zhuǎn)變成向上射流；當(dāng)γf>2時，氣泡上表面幾乎不產(chǎn)生射流。

(3)相同距離參數(shù)條件下，水冢所能達(dá)到最大高度隨浮力參數(shù)δ的增加，而呈現(xiàn)明顯減小的趨勢；在水冢達(dá)到最大高度前，隨著δ的增加，其水冢高度隨時間變化曲線越為陡峭，即自由液面上升速度越快；水冢達(dá)到最大高度后，其水冢下降速度隨δ的減少，呈現(xiàn)減慢的趨勢；δ的減小對無量綱“水冢周期”的增加有促進(jìn)作用；δ的變化對自由表面附近氣泡的運動無量綱周期影響較大；氣泡無量綱周期隨著浮力參數(shù)δ的增加而呈減小的趨勢。

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第一作者姚文莉女，博士，教授,博士生導(dǎo)師，1969年生