减压条件下近自由面气泡运动与水冢现象实验研究

减压条件下近自由面气泡运动与水冢现象实验研究

崔杰1，崔璞2，周塞北1，姚熊亮2

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江212003;2.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001)

摘要：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。

关键词：减压；气泡；自由液面；水冢；实验

中图分类号:N913;T31;T1.47

文献标志码：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.

基金项目：国家自然科学基金(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

气泡在当代科学技术领域应用中占据了重要位置，特别是水下爆炸产生气泡对船体的毁伤，是近年来各国海军研究的重点。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，研究人员通常在水池中进行近场水下爆炸模型实验，在水箱中进行小当量的水下爆炸实验，或者采用电火花、激光等代替真实的炸药进行气泡机理性的实验。Benjamin[1]采用铂电极获得氢核，开展气泡在边界附近溃灭机理实验，气泡距离壁面1.5mm，利用高速摄影技术记录了气泡膨胀、坍塌及射流整个过程，并对气泡射流的成因做以初步解释。Chahine[2]开展电火花气泡相关实验，研究不计重力时，近自由面气泡的运动，发现气泡坍塌将产生背向自由面的射流，其自由面对气泡具有排斥作用。Dadvand[3]研究了近自由面附近带孔平板下气泡射流产生水滴喷射过程的规律，实验发现圆孔大小和气泡到孔距离影响气泡射流形态，通过圆孔产生的喷射水柱尺寸约为圆孔尺寸的25%，张阿漫[4]采用常压电火花气泡实验的方法，对气泡与自由液面之间的耦合进行了研究，得到了忽略气泡重力情况下自由液面对气泡运动的影响规律. 张阿漫[5]研究固壁上方气泡射流冲击后的运动规律，数值与实验吻合较好。

从国内外学者对气泡实验的研究可以看出，由于电火花产生气泡的电压较小，所得气泡尺寸较小，实验大都不计及浮力的影响，然而真实的近场水下爆炸气泡脉动及坍塌过程很大程度上受到浮力的作用，其自身坍塌射流及在边界附近的运动规律都与无浮力影响的气泡运动有很大的区别，难以保证与真实的水下爆炸气泡的相似性。为此，本研究在已有电火花气泡实验方法的基础上，开发可减压的压力容器装置，实现可将容器内环境压力减至0.01个大气压，而且容器内的压力大小可以调整，那么气泡的尺寸和浮力效应均会增大，使得气泡的运动及其载荷特性更加接近于真实的水下爆炸气泡。在此基础上，研究近自由面气泡运动特性与水冢现象。

1减压条件下气泡动力学实验方法

本文根据水下爆炸气泡相似理论设计减压实验装置[6-7]，采用电火花生成气泡的方法[8-9]，将发生装置置于减压容器内部。减压实验装置主体高1800mm，内径800mm，内部敷设低阻抗材料。观察窗口间距1000mm，长400mm、宽200mm，左右两侧圆形光源窗口直径200mm，上方封头左端布设真空精密压力表，右端布设进、排气管道，容器内环境压力可减至0.01个大气压，具有良好的气密性，在较长的时间内可以保证容器内压力稳定。实验时将容器中冲入所需高度的蒸馏水，电极放置在减压容器视窗中心的位置。利用APX-RS高速相机通过观察窗口记录减压条件下气泡与自由面的相互作用。实验过程中利用真空泵对减压容器进行抽真空处理，压力表对其实时观测，减压气泡实验系统见图1。

图1　减压实验装置系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experiment system

2计及浮力影响气泡与自由面相互作用

2.1计及浮力影响的自由面水冢现象

气泡在自由液面附近运动时，由于自由液面的Bjerknes[10]力及自身重力的影响，使气泡产生非球形的脉动及坍塌，产生水冢和射流两种重要的物理现象，这种两种物理现象在水幕反导[11-12]、浅滩排淤等工程技术领域具有广泛的应用价值。经研究发现减压气泡与常压气泡实验现象存在较大差异，不仅与距离参数有关，还与浮力参数有很大关系；随这两个参数的改变，近自由液面气泡将会产生不同水冢现象。本文通过实验得到计及浮力影响的10种水冢形态，见图2。为了便于研究，实验数据曲线采取无量纲的形式，令无量纲距离参数γf=d/Rm、浮力参数δ=(ρgRm/△P)1/2(d为爆点距自由面距离，Rm[4]为气泡最大半径，△P为压力差)，坐标系选取在气泡中心位置，Z轴正方向与重力方向相反。将“水冢”从产生到回落至自由表面的时间定义为“水冢周期”。

从图2(a)～(c)可以看出由于气泡距离自由面较近，水冢现象不稳定，自由液面直接受到气泡膨胀冲击的作用直接破碎。图2(d)～(g)可以看出随着γf的增加水冢现象稳定，由于浮力的存在气泡在坍塌的末期形成上下两股射流，见图2(g)中t=23.3ms。图2(e)为酒杯型水冢，此时d=15.94mm，Rm=31.01mm，γf=0.514，δ=0.210。该工况下可以形成较为稳定的射流。在t=6.67ms时，气泡与自由液面顶部分离形成两股朝向相反方向的水流，在气泡上部自由面中心形成较为复杂的破碎溅射型水流继续向上运动，该水流的初始速度为7.80m/s，而在气泡内部则产生背向自由面射流，如t=11.3mm所示，其内部射流速度约为14.61m/s，此时射流宽度约为9.48mm。在t=13.3ms时，受自由液面Bjerknes力影响，气泡呈现非球形坍塌其上表面扁平，气泡内部射流已经穿过气泡下表面形成不稳定的环状气泡，而自由液面中心水柱则继续升高。t=30.0ms，水冢在向上运动的过程中与内部中心的水柱融合为一体继续向上运动，于t=46.7ms形成典型的酒杯状水冢。

图2(h)～(j)为气泡所受浮力相对Bjerknes力占优的情况，产生向上的射流，自由面直接受到其射流的冲击所形成的水冢与前面大不相同。图2(j)所示为冰山型水冢，该工况d=88.33mm，Rm=56.91mm，γf=1.552，δ=0.821。气泡与自由液面作用规律与风帆型、莲花型水冢工况相似，在气泡膨胀到坍塌的整个过程中，浮力始终做主导地位，产生向上的射流。由于该工况爆点距离自由液面较远，气泡膨胀过程中受Bjerknes力影响较小，呈现球形的膨胀；自由液面受气泡膨胀的影响其表面被微微的顶起。在坍塌的过程中气泡下表面呈现扁平形状，气泡中心内部形成朝向自由表面4.59m/s的射流。在t=73.3ms时，气泡内部射流冲破气泡上表面，伴随着该环状气泡的第二次脉动上浮，其膨胀形态呈现树叶状，上方尖角两边平坦。气泡上表面上浮速度3.36m/s，首先到达自由表面并将其局部抬起，此时气泡所受的浮力依然很大，自由表面整体受到气泡上浮的作用，按照原树叶状气泡膨胀的形态向上运动，如t=96.7ms所示。随后气泡继续上浮、坍塌及射流，射流水柱冲击自由液面中间区域使其继续向上运动呈现冰山形状，如t=120ms所示。

图2　不同工况水冢现象 Fig.2 Phenomenons of bubble plume

2.2水冢现象随γf和δ的变化规律

本文通过实验总结得出水冢现象与γf、δ参数的变化规律，见图3。图中绿色虚线左方表示不能形成稳定的水冢，右侧则表示水冢形态稳定。研究发现γf=0时，无论δ取何值，气泡产生初期在自由表面破碎，仅形成唯一 “点水型”水冢形式；0<δ<2时，近似出现文献[4]中相同的水冢现象。0<δ<0.8时，浮力的影响因素较大，水冢现象与无浮力时也有较大不同，无法产生常压气泡文献[4]中的“冲天型”水冢；δ>0.8时，气泡膨胀到坍塌的整个过程中，重力始终做主导地位，气泡在近自由液面附近运动时仅产生向上射流，无法产生背离自由液面向下射流。γf较小时同样产生“零碎型”和“飞溅型”水冢，只是形态稍有不同，随γf的增加，虽然有自由面Bjerknes力的作用，但气泡在强浮力参数(δ>0.8)的作用下仍产生向上射流，因此无法产生“酒杯型”和“皇冠型”水冢，取而代之为“风帆型”、“莲花型”和“冰山型”水冢。图3可为“水幕反导”做以参考。

图3　水冢现象分布示意图 Fig.3 Distribution of the bubble plume

2.3距离参数γf的影响

本节研究相同浮力参数(δ=0.25)时，气泡射流速度V(jet)、上表面射流宽度D(jet)、周期T、开始射流时间T(first-jet)及气泡坍塌时刻中心移动距离H′等物理量随距离参数γf的变化规律。将气泡产生的射流冲破气泡表面时的速度定义为射流速度，实验首先测量气泡射流的运动轨迹，然后将其对时间求导得到该时刻的气泡射流速度。从图4中可以看出γf的增加，周期T及T(first-jet)时间呈现缓慢上升趋势。当γf>2时，气泡仅在坍塌最小时刻产生射流，所以在图中呈现开始射流时间与周期相似的曲线。图中多条曲线都以1为分界线，当γf<1时，随着γf的增加气泡射流速度呈下降趋势，气泡坍塌时刻中心移动距离和气泡射流宽度都呈现上升趋势，即当气泡距离自由表面一倍气泡半径左右时，随着距自由表面距离的减小，射流宽度越细其速度越快，气泡中心下降越小；对于气泡中心移动距离H′，当γf>1时，随着γf的增加气泡中心呈现先回落初始位置再正方向远离的趋，当1<γf<1.7时，随着γf的增加，射流宽度D(jet)逐渐变窄，气泡上表面坍塌射流速度V(jet)逐渐增加；当1.7<γf<3时，气泡由向下射流变成对射流，并受自由表面的影响逐渐变小，最后转变成向上射流，当γf>2时，气泡上表面几乎不产生射流，所以其相应的射流宽度趋于0，该区间气泡上表面的运动速度随着距离参数的增加而呈现下降的趋势。

图4　近自由表面气泡运动各物理量随γ f变化曲线 Fig.4 Variations of the physical quantities of the bubble pulsating near the free surface with γ f

2.4浮力参数δ的影响

本节研究相同距离(参数γf=0.9)，不同浮力参数δ时，自由表面及气泡上、下表面(Hf)随时间变化规律。从图5可以看出，浮力参数0<δ<1时，水冢高度随时间的变化曲线呈典型的抛物线状；水冢所能达到的最大高度随浮力参数δ增加，而呈现明显减小的趋势。各工况中水冢达到最大高度前，随着浮力参数δ的增加，其水冢高度随时间变化曲线越为陡峭，即上升速度越快；而在各工况水冢达到最大高度后，其水冢下降速度随δ的减少，呈现减慢的趋势。从“水冢周期”中还可以看出，浮力参数较明显改变了“水冢周期”，浮力参数δ减小对“水冢周期”增加有促进作用。从图6可以看出，随着δ的增加，即容器内压力的降低，气泡下表面运动轨迹逐渐平缓，即运动速度逐渐减慢，对上表面影响较小；δ的变化对自由表面附近气泡的运动无量纲周期影响较大；气泡无量纲周期随着浮力参数δ的增加而呈减小的趋势。

图5　不同δ时，自由表面顶点位移变化 Fig.5 Displacement-time curves of the free surface acme with different δ

图6　不同δ时，气泡上、下顶点位移变化 Fig.6 Displacement-time curves of the top and bottom points of the bubble with different δ

2.5距离参数γf与浮力参数δ共同影响

本节研究距离参数γf与浮力参数δ共同作用下，气泡与自由表面相互作用规律。将δ从0.1设置到1.2，γf从0设置到3进行多组实验，为了便于观察定义η为“压力度”即为容器内部压力与大气压力的比值。图7为不同δ时，自由表面顶点位移Hf随γf变化曲线。从图中可以看出，气泡距自由面无量纲距离γf=1.0附近是水冢高度变化的分界点，该分界点不随浮力参数的变化而改变；当γf<1.0时，水冢高度随无量纲距离的减小而迅速下降；当γf>1.0时，水冢高度随γf的减小而缓慢的变化，水柱高度随γf的增大近似呈指数形式衰减；随着浮力参数δ的减小，自由表面顶点位移呈增加的趋势。可见，在水冢分界点左侧，水冢高度受距离参数、浮力参数共同影响较大，在分界点右侧受两参数的影响较小。

图7　不同δ时，自由表面顶点位移随γ f变化 Fig.7 Variation of the displacement of the free surface acme with γ f when δ at different delta

图8　不同δ时，气泡周期随γ f变化 Fig.8 Variation of the bubble period with γ f when δ at different delta

图9　不同δ时，气泡中心位移随γ f变化 Fig.9 Variation of the displacement of the bubble center with γ f when δ at different delta

图10　不同δ时，气泡射流速度随γ f变化 Fig.10 Variation of the velocity of the bubble jet with γ f when δ at different delta

3结论

本文采用减压条件下实验的方法，配合高速摄影技术，开展计及浮力影响下气泡与自由表面相互作用机理实验，研究近自由液面气泡运动特性随距离参数和浮力参数的变化规律，并分析各种类型水冢形成的原因，得出以下结论：

(1)气泡在自由液面附近运动时，将会与自由液面产生复杂的耦合作用，形成水冢现象；距离参数γf和浮力参数δ是影响气泡运动的两个重要因素，水冢现象可按γf和δ分布规律做以初步判断。

(2)相同浮力参数条件下，距离参数γf增加，气泡脉动周期及第一次射流时间呈现缓慢上升趋势；当γf<1时，随着γf的增加，气泡射流速度呈下降趋势，气泡坍塌时刻中心移动距离和气泡射流宽度都呈现上升趋势；对于气泡中心移动距离，当γf>1时，随着γf的增加气泡中心呈现先回落初始位置再正方向远离的趋势；当1<γf<1.7时，随着γf的增加，射流宽度逐渐变窄，气泡上表面坍塌射流速度逐渐增加；当1.7<γf<3时，气泡由向下射流变成对射流，并受自由表面的影响逐渐变小，最后转变成向上射流；当γf>2时，气泡上表面几乎不产生射流。

(3)相同距离参数条件下，水冢所能达到最大高度随浮力参数δ的增加，而呈现明显减小的趋势；在水冢达到最大高度前，随着δ的增加，其水冢高度随时间变化曲线越为陡峭，即自由液面上升速度越快；水冢达到最大高度后，其水冢下降速度随δ的减少，呈现减慢的趋势；δ的减小对无量纲“水冢周期”的增加有促进作用；δ的变化对自由表面附近气泡的运动无量纲周期影响较大；气泡无量纲周期随着浮力参数δ的增加而呈减小的趋势。

参考文献

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第一作者姚文莉女，博士，教授,博士生导师，1969年生