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36400字硕士毕业论文气泡破裂的直接模拟和统计特征综述

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:36400字
论点:溃灭,气泡,过程
论文概述:

本文是统计专业论文,本文采用基于VOF的直接数值模拟方法,自然地包括泡群相互耦合过程、气泡的非球形变化等因素,能为相变率形式的探讨提供参考意见,为宏观空化模型将来的改进.

论文正文:

介绍

1.1空现象及其分类
1894年,发现一艘高速船的螺旋桨在运行几小时内报废,其结构严重受损。针对这个问题,英国海军部成立了一个特别委员会,研究螺旋桨损坏的原因。最后,委员会报告说,损坏是由空水泡造成的。从那以后,空的现象引起了很多关注。空现象:当液体中的局部压力降低到饱和蒸汽压时,液体蒸发,在液体内部或液固界面上形成空气泡,当移动到高压区域时空气泡将消失。空气泡的形成、发展和消失被称为空。空常见于各种液压机械中。船舶螺旋桨、水翼船、水下武器、轴流式系统等。所有生产空问题。为了便于学习,人们将根据不同的经验和方法对空问题进行分类。根据动态特性,可将空现象分为移位型空、固定型空、旋转型空和振动型空。根据发展阶段,空现象可分为临界空、局部空和超空
5气泡群坍塌过程的数值研究。根据空地层的形态和位置,[/k0/]地层现象可分为气泡空地层片空地层云空地层灾害空地层超空地层。以水翼流场为例,简要介绍了气泡空的形成过程。当气泡空出现时,单个气泡空气泡形成在水翼表面上,这些气泡几乎是半球形的,并且通过薄液膜与固体表面隔开。在压力梯度、传入剪切力或与固体壁相互作用的影响下,气泡空气泡将移动、变形和消失。
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1.2气泡群灭绝的意义
空现象自发现以来一直受到人们的关注和研究。理论研究将该理论的实际应用从20世纪初的球泡运动理论扩展到法律概念空模型的建立。实验技术也在用高速摄影、激光等手段发展。同时,研究内容也在不断深化,从单气泡消光过程、单气泡与水下结构的相互作用到多气泡消光过程。可以说,人们从未停止研究空现象。人们对空现象的持续关注一方面源于空现象的危害。空现象将改变流场结构并影响设备性能。例如空将导致螺旋桨推力突然下降,降低转子的功率输出和效率,并导致系统水头和效率的损失。空气泡在坍塌过程中会产生高压脉冲,这会破坏结构表面并引起空姓氏?。空现象的特点也是不稳定。空气泡区域的振动将引起激振力,引起结构振动和伴随的噪声,这将对设备和仪器的安全运行产生不利影响。由于空的危害性,长期以来,对空的研究主要集中在控制和抑制空的产生及其不利影响上。然而,空现象有其潜力。近年来,对空的研究一直在增加。利用超级空的减阻效果,超级空鱼雷可以利用空气泡破裂时产生的高压脉冲和射流来研制。已开发的有超声空清洗、超声空药物碎石技术、微泵在微流体中的应用等。另一方面,对空现象的持续关注是由于其复杂性。空是一种复杂的气液两相流,具有不稳定、高瑞流动性、高实时性、高非线性、相变等特点。从宏观上看,空带经常周期性振荡,这在板块空泡沫上尤为明显。然而,在局部区域,它会表现出高频噪声、瞬时压力冲击等高频特性。高频特性在空的消光阶段通常很重要。此时,空融化区通常呈现云雾结构——云空气泡。尽管已经研究了一个多世纪,但仍然存在一些重要的空问题,如云空气泡消除等。,仍然缺乏全面和详细的了解,需要进一步深入研究。
……

2气泡动力学理论及数值模拟方法

2.1直接数值模拟方法
本文采用直接数值模拟方法研究了不凝气泡在一定压力环境下消失的过程。液相由不可压缩性计算,气相由等温可压缩理想气体模型计算。气相和液相之间的界面用VOF方法捕捉。单气泡消光因其相对简单和实验方法多而成为许多实验的研究对象。阿克哈托夫等人利用激光技术研究了单个球形空气泡的消光和回弹过程,并用高速摄像机记录了消光和回弹过程中空气泡的形状。结果表明空气泡消失时达到的最小半径,冲击波强度和回弹达到最大值的一半与理论预测一致。彼得等人也利用激光技术观察到壁和自由表面附近空气泡的消光,并指出边界附近空气泡的形成发生不对称消光,形成射流。在自由表面附近,由空气泡形成的喷射方向远离自由表面,并且空气泡的振荡时间延长。在固体壁附近,由空气泡形成的喷射方向面向固体壁,并且空气泡的振荡时间缩短。Tomita等人系统地研究了具有曲率的固体壁附近空气泡的生长和消失。通过比较理论和实验结果,他们发现空气泡的运动受固体壁面曲率的影响很大。当壁面略微凹陷时,空气泡在第一次被破坏时会发生明显的迁移。在凸形固体壁实验中,射流速度高于平面固体壁。冈萨雷斯-阿维拉(Gonzalez-Avila)等人系统地研究了两个固体壁之间的空气泡熄灭过程,在不同高度的凹槽中观察到5种不同形式的空气泡坍塌,并指出空气泡形状和坍塌形式的变化取决于无量纲凹槽高度。
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2。2气泡理论
瑞利在非干流早期建立了气泡运动模型。普莱塞特后来考虑了粘性力和表面张力的影响,并进一步发展了瑞利-普莱塞特方程。该方程由纳维尔-斯托克斯方程导出。本章分别介绍了数值计算方法和理论方法。在数值方法中,描述了压力控制方程的推导过程,并介绍了整个数值求解过程。解决方案过程是在OpenFOAM平台下实现的。在理论方法上,从基本的N-S方程出发,导出了无界流场和有限区域的瑞利-普莱塞特方程。气泡理论的分析和数值解将用于后续验证。与实验研究相比,数值研究具有成本低、实验条件限制少、实验实现方便等优点。这些优势使得扩展空研究内容变得非常积极。随着计算机的快速发展,它们的计算能力不断提高。在这种有利条件的帮助下,数值研究得到了迅速发展,许多不同的计算方法也得到了发展。空流化是气液两相流。气相和液相的密度和粘度等物理参数不同,给数值计算带来一定困难。如果将气相视为理想的球形气泡,不考虑气泡的融合和分离,则气固两相流的欧拉-拉格朗日方法可以借鉴。芬恩等人利用双向耦合的三种耦合模式下的欧拉-拉格朗日模型,模拟了二维灾害中多个气泡的过程及其相互作用,指出气泡的参与会影响灾害的分布,造成灾害核的扭曲。
………

3单气泡破裂过程的数值研究……22
3.1数值模型.........22
3.2结果和分析.........23
3.2.1数值验证.........23
3.2.2气泡形状变化.........24
3.2.3气泡周围的压力分布.........25
3.3本章摘要.........27
4 br/] 4多气泡破裂过程的数值研究.........28
4.17泡沫破裂.........28
4.2气泡间距的影响.........33
4。3中央气泡的延迟和加速过程分析.........40
4.4周围气泡数的影响.........42
4.5本章摘要.........49
5气泡群破裂过程的数值研究.........50
br/]5.1 125个泡沫的崩溃过程.........50
5.2不同气泡数的影响.........54
5.3不同压差的影响.........58
5.4本章摘要.........61

[8]

5.1 125气泡消失过程
27由于气泡之间的相互作用,气泡消失过程非常复杂。然而,在实际的空熔体流动中,空气泡的数量是数万个,这比由几十个气泡组成的系统复杂得多。因此,本文将研究对象进一步扩展到计算能力范围内的100个气泡级的气泡群。实际空变换中气泡群的分布是无序和不规则的。规则等距分布的气泡群不能很好地反映实际气泡群的分布,但随机排列更接近实际气泡分布。本章首先研究了不同排列方式对气泡群整体灭绝的影响。类似于十几个气泡的坍塌过程,本文将125个气泡放置在一个面积相同的立方体中,立方体面积的边长= 0.1m,气泡的初始半径= 4个不同的排列,1个规则排列和3个不同的随机排列,如图5- 1所示。在规则排列中,125个气泡以5×5×5的方式排列,气泡中心间距= 0。02m。初始时,气泡内部和周围的流场处于低压状态。区域边界保持恒定高压Pd = l00000Pa帕,速度边界条件为零梯度,流体可以自由进出边界。模拟计算使用与单气泡破裂验证相同的均匀正交网格。
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结论

本文采用基于VOF的直接数值模拟方法,模拟了一个气泡、2-27个气泡和100个数量级的气泡群在高压下的坍塌过程。泡沫相互作用和整体崩溃率是重点。主要结论如下:
1。在单个气泡破裂的初始阶段,气泡内外的负压梯度使气泡壁向内收缩,气泡破裂速率随着负压梯度的增大而增大。在塌陷的后期,当气泡的内压超过外部高压时,在气泡壁面内外形成正压梯度,从而抑制气泡体积的减小,减缓气泡半塌陷后的收缩率,最终塌陷到最小体积,并达到气泡内部的最大压力峰值。对
2,2-27气泡坍塌过程的分析表明,当周围有气泡时,气泡的坍塌过程与单个气泡明显不同。周围气泡的存在延迟了气泡的塌陷过程,并增加了塌陷过程中达到的压力峰值。定量分析表明,随着气泡间距的减小或周围气泡数量的增加,气泡的坍塌时间增加,坍塌过程中的压力峰值增加,坍塌过程的延迟和局部加速特性明显。瑞利-普莱塞特方程的定性分析表明,气泡运动不仅受远场压力的驱动,还受周围气泡引起的压力场的影响。周围气泡破裂时,其诱导压力先减小后增大,从而使中心气泡的破裂过程具有先延迟后加速的特点。
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参考资料(略)