崔 杰,許 威,陳志鵬,周陶然

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212100)

氣泡是一種常見的流體力學(xué)現(xiàn)象,其動(dòng)力學(xué)特性在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、水動(dòng)力等工程領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域里有著非常廣泛的應(yīng)用,如超聲波清理[1]、氣泡減阻技術(shù)[2]以及軍事領(lǐng)域水下爆炸高能毀傷[3]等．但氣泡在某些領(lǐng)域中會(huì)產(chǎn)生一定的危害,如工業(yè)生產(chǎn)中空化氣泡對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞,船舶領(lǐng)域中氣泡對(duì)螺旋槳的損傷[4]等．氣泡的應(yīng)用以及預(yù)防已成為人們的關(guān)注重點(diǎn),越來越多的學(xué)者開始研究氣泡在復(fù)雜邊界條件下的脈動(dòng)特性．氣泡受邊界作用主要源于Bjerknes效應(yīng)[5],即處在邊界附近的空化氣泡受邊界影響而出現(xiàn)非球狀收縮的特征．氣泡在工程應(yīng)用或工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)遇到剛性壁面、自由液面等一系列邊界條件．自由液面作為其中一個(gè)具有代表性的邊界,對(duì)其研究具有重要的意義．

氣泡在自由液面附近運(yùn)動(dòng)時(shí),由于液面的Bjerknes效應(yīng)以及重力效應(yīng)的作用,氣泡會(huì)產(chǎn)生非球狀的脈動(dòng)和坍塌,產(chǎn)生水冢以及射流兩種物理現(xiàn)象[6]．在氣泡領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究,如關(guān)于氣泡射流、脈動(dòng)周期等的實(shí)驗(yàn)、理論、數(shù)值研究[7-9]．由于氣泡運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性,相關(guān)理論和數(shù)值研究在邊界作用下氣泡非球型坍塌的研究中存在局限性,相關(guān)機(jī)理性問題需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索．氣泡生成方式主要有水下放電技術(shù)、激光技術(shù)以及水下爆炸技術(shù)．文獻(xiàn)[10]曾對(duì)自由面附近氣泡引起的水面現(xiàn)象如空化層、水冢等進(jìn)行簡(jiǎn)要描述,為后續(xù)的研究提供了參考．隨著高速攝影技術(shù)的成熟,水下爆炸測(cè)量技術(shù)得到改進(jìn),文獻(xiàn)[11]首次拍攝到氣泡在邊界效應(yīng)和浮力效應(yīng)下產(chǎn)生的射流．文獻(xiàn)[12]通過試驗(yàn)研究了水中氣泡與自由液面之間相互作用,得到了自由液面對(duì)氣泡脈動(dòng)周期、氣泡最大有效半徑以及高速射流時(shí)間、射流寬度的影響規(guī)律．

目前在近自由液面處氣泡的研究已取得諸多成果,但因?yàn)闅馀菝}動(dòng)特性的重要性和復(fù)雜性,仍存在很多問題亟需解決．例如在工程實(shí)際應(yīng)用或者工業(yè)生產(chǎn)中,氣泡并不是單一存在于一般水介質(zhì)中,它所處介質(zhì)往往是各種高粘度液體,在化工、生物及醫(yī)學(xué)等高粘度流體中廣泛存在,其運(yùn)動(dòng)規(guī)律尚未探明．因此本文在前人已有的探索上,通過實(shí)驗(yàn)研究高粘度液體中氣泡與自由液面的相互作用,分析自由液面處氣泡的脈動(dòng)特性,分析水?，F(xiàn)象成因并分類,為高粘度液體中氣泡與自由液面的耦合作用的研究提供參考,也為工業(yè)生產(chǎn)高粘度流體中氣泡動(dòng)力學(xué)研究提供新的參考依據(jù)．

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

采用水下低壓放電技術(shù)產(chǎn)生空化氣泡．該方法的優(yōu)勢(shì)是能比較準(zhǔn)確地控制氣泡生成的初始位置及大小．氣泡實(shí)驗(yàn)裝置包括氣泡生成設(shè)備、連續(xù)光源、高速照相機(jī)以及實(shí)驗(yàn)水箱等配套裝置,如圖1所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup

氣泡生成設(shè)備即電火花氣泡發(fā)生器,主要包括205 V直流電源、電阻、6 600 μF電容器、以及搭接的電極．實(shí)驗(yàn)在30 cm×30 cm×40 cm尺寸的超透玻璃箱進(jìn)行,光源選用2 kW白熾燈,采用背光拍攝的方式,用于觀察氣泡內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．

實(shí)驗(yàn)步驟包括:打開開關(guān)K1以觸發(fā)蓄電系統(tǒng),通過電容器將220 V交流電轉(zhuǎn)換為205 V直流電,同時(shí)導(dǎo)電性良好的細(xì)銅絲(直徑0.26 mm)在水下按照工況要求搭接完畢;待充電完成后,關(guān)閉開關(guān)K1同時(shí)打開開關(guān)K2和高速相機(jī)信息采集按鈕,此時(shí)放電指示燈點(diǎn)亮,從電容器兩極延伸出來的銅絲交叉點(diǎn)處釋放能量并產(chǎn)生氣泡．

水箱中所選擇的介質(zhì)是粘度為100 cs的硅油,實(shí)驗(yàn)溫度約為25 ℃．且由于氣泡演化周期非常短,文中用PhantomV611高速攝像機(jī)以140 ms曝光時(shí)間記錄氣泡運(yùn)動(dòng)過程．

1.2 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)

如圖2,以自由液面為x軸,過氣泡中心位置且垂直x軸的方向?yàn)閦軸建立坐標(biāo)系,氣泡中心到自由液面之間的距離d．實(shí)驗(yàn)設(shè)置主要參數(shù):

圖2 氣泡與自由液面作用參數(shù)設(shè)置Fig.2 Parameter settings between bubblesand free surface

1) 在自由場(chǎng)氣泡實(shí)驗(yàn)中,氣泡可近似認(rèn)為呈球形膨脹．定義氣泡第一周期最大面積為A,則氣泡最大半徑Rmax=(A/π)1/2．氣泡無量綱等效半徑Req*=(A*/π)1/2/Rmax，其中A*為通過高速攝像Phantom分析軟件在每一時(shí)間節(jié)點(diǎn)所測(cè)量的氣泡實(shí)時(shí)面積．

2) 氣泡到邊界無量綱的距離γf=d/Rmax，其中d為氣泡中心與自由液面的距離，Rmax為氣泡最大半徑．

3) 水冢頂點(diǎn)無量綱距離Df=D/Rmax，其中D是水冢頂點(diǎn)距自由液面距離．

4) 無量綱時(shí)間t*=T/(Rmax(ρ/Δp)1/2)，其中ρ為流體密度，Δp為初始位置靜水壓力與飽和蒸汽壓力差值．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 典型水冢和氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象

首先在相同距離參數(shù)γf下,將理想流體——水和高粘度流體——硅油中氣泡脈動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比,圖3為文獻(xiàn)[15]所研究的常溫常壓下水中氣泡與自由液面作用下的實(shí)驗(yàn):(a)γf=0.78; (b)γf=1.08．文中在高粘度液體中開展相同工況實(shí)驗(yàn),對(duì)比氣泡在高粘度液體和水中的運(yùn)動(dòng)特性可以發(fā)現(xiàn)有不同:① 水冢生成時(shí)間及形態(tài);② 氣泡脈動(dòng)及破碎的周期;③ 水冢高度及上升速度．氣泡在高粘性液體中氣泡脈動(dòng)特性以及水冢的形態(tài)則更為復(fù)雜豐富．文中將研究不同距離參數(shù)γf下自由液面以及氣泡運(yùn)動(dòng)特性,分別給出8種不同的水?，F(xiàn)象及成因．

圖3 常壓下水中氣泡與自由液面運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象[15]Fig.3 Dynamics of bubble and free surface in water

圖4為破碎型水冢,此工況γf=0,氣泡中心點(diǎn)位于自由液面處．氣泡在生成時(shí)上表面即破碎,在自由液面下方氣泡呈半球形膨脹,在t=19.61 ms時(shí)到達(dá)最大膨脹半徑,隨后開始進(jìn)行坍塌,逐步趨于扁平．而上方表面破碎,氣泡內(nèi)部與空氣聯(lián)通．自由液面出現(xiàn)水紋,上方呈現(xiàn)環(huán)狀飛濺現(xiàn)象(幀2),并繼續(xù)向外飛濺,其中飛濺的液體中包含有銅絲的燃燒產(chǎn)物 (幀3～5)．當(dāng)液面破碎到最大后,環(huán)狀飛濺液體逐步下落,直至自由面趨于平靜(幀6～10)．

圖4 γf=0工況下氣泡運(yùn)動(dòng)特性Fig.4 Motion characteristics of bubble when γf=0

圖5為開口型水冢(破碎型的另一種形式),此工況γf=0.06,此工況未生成穩(wěn)定的水冢或射流．脈動(dòng)初期,水冢的高度不斷升高(幀3～6)．氣泡膨脹到最大時(shí),形成一層透明色球狀開口型的薄壁．隨后進(jìn)入氣泡坍塌階段,此過程液面上方水冢成空心圓臺(tái)狀,并逐漸回落至自由液面(幀7～12)．而該工況氣泡在膨脹階段為半球狀,在收縮階段扁平梯狀,這是因?yàn)闅馀葜行南路讲糠峙c其他部分相比收縮更快．隨后下方氣泡在收縮產(chǎn)生的慣性下,液面再次形成一個(gè)小型水冢．最后水冢緩慢回落(幀13～18)．還可以看出高粘度液體中會(huì)呈現(xiàn)二次形成水冢的特性．

圖5 γf=0.06工況下氣泡運(yùn)動(dòng)特性Fig.5 Motion characteristics of bubble when γf=0.06

圖6為飛濺型水冢,距離參數(shù)相對(duì)于前面工況繼續(xù)增加為γf=0.16．氣泡逐步膨脹,頂部在液面處破裂,且由于氣泡內(nèi)部存在壓力,液體近似豎直朝上噴射飛濺(幀3～7)．與破碎型水冢相比,液面向上濺射的液體更多,形成液膜的也更大．隨后液膜向中心回?cái)n,成為閉合狀(幀9),同時(shí)水柱狀水?？焖偕撸谔^程中,液態(tài)薄壁上方水柱狀水冢回落,且回落液滴的尾跡為連續(xù)不規(guī)則狀(幀16～18)．氣泡初期依舊呈半球狀且逐步膨脹,進(jìn)入坍塌階段后氣泡逐步收縮為扁平狀直至破碎消失．此時(shí)液面二次凸起出現(xiàn)一個(gè)圓錐形水冢,與上述形成的連續(xù)不穩(wěn)定下落的水冢相觸碰,并穿透所形成的液態(tài)薄壁．

圖6 γf=0.16工況下氣泡運(yùn)動(dòng)特性Fig.6 Motion characteristics of bubble when γf=0.16

圖7為長(zhǎng)劍型水冢,該工況γf=0.67．氣泡在膨脹階段均在液面以下．初期氣泡上表面液體受擠壓向上方運(yùn)動(dòng),形成尖峰狀水冢(幀3～6)．坍塌過程中,氣泡上表面首先開始收縮并產(chǎn)生遠(yuǎn)離自由面的射流(幀7～8)．且伴隨著射流沖擊氣泡底部,下表面出現(xiàn)局部凸起(幀9),且逐步與上方主體氣泡分離,形成一個(gè)環(huán)狀氣泡(幀10),水冢也在這個(gè)過程中不斷提升高度．這兩個(gè)部分在收縮到最小后再次膨脹,使得自由液面上方的水冢繼續(xù)加速上升,速度約8.5 m/s,上側(cè)環(huán)狀氣泡周圍的粘性液體與水冢底部接觸,并向四周擴(kuò)散,水冢底部呈現(xiàn)為杯托狀．在后續(xù)過程中,氣泡向下位移并再次膨脹回縮,以此往復(fù),對(duì)自由面的作用效果也逐漸減弱．而水冢底部也在下方液體的作用下向上升起,此時(shí)水冢上側(cè)呈現(xiàn)尖峰狀,中部水冢則向四周擴(kuò)散濺射呈現(xiàn)出輕紗狀薄液,并隨著水冢的升高,薄液的擴(kuò)散范圍漸漸擴(kuò)大,整體上形態(tài)近似對(duì)稱(幀16～21)．到28.30 ms后,向四周擴(kuò)散的薄液開始下落,而水冢依舊繼續(xù)保持上升狀態(tài),形態(tài)向上拉長(zhǎng),截面半徑減小,整體能夠達(dá)到數(shù)十倍氣泡最大半徑的高度(幀23)．最終,水?；芈渲磷杂梢好?出現(xiàn)凹陷,由于液體高粘性特征,液面下方在凹陷過程中分離出一個(gè)小型液泡,部分向底部運(yùn)動(dòng)并逐漸破碎．水冢演變過程持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間約400 ms,遠(yuǎn)大于氣泡運(yùn)動(dòng)周期．

圖7 γf=0.67工況下氣泡運(yùn)動(dòng)特性Fig.7 Motion characteristics of bubble when γf=0.67

圖8為法杖型水冢,該工況γf=0.77．氣泡在第一周期初始階段呈近球狀膨脹,隨著膨脹的進(jìn)行氣泡上表面略微凸起．這是因?yàn)闅馀蓍_始膨脹時(shí),氣泡內(nèi)部具有非常高的壓力,迅速向周圍釋放,自由液面下方是氣泡上表面,該位置的壓力近似于上方大氣壓力,遠(yuǎn)小于膨脹過程中的氣泡內(nèi)部下表面壓力,整個(gè)膨脹過程中氣泡將會(huì)呈現(xiàn)從高壓力區(qū)域向低壓力區(qū)域運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),所以可以看出其氣泡上表面略呈現(xiàn)凸起的形狀．

水冢底部寬度隨氣泡的膨脹收縮過程逐步增大或縮?。cγf=0.67工況相比,坍塌階段更晚到來,且由于氣泡上表面的射流,形成氣泡環(huán)(幀5),此過程中水冢呈尖峰型．隨后氣泡的下表面出現(xiàn)凸起,寬度比長(zhǎng)劍型水冢更寬,且伴隨射流向底部的運(yùn)動(dòng)過程中沒有脫離環(huán)形氣泡,此過程水冢底部呈杯托狀(幀7～9)．一方面,液面下氣泡在膨脹收縮的循環(huán)階段中,一直向底部運(yùn)動(dòng)直至完全破碎,上方水冢則持續(xù)升高．水冢中段的外側(cè)在力的作用下向水柱中央聚攏,形成一個(gè)較大液滴(幀14～18),整體形狀類似法杖．隨后,在重力作用下液滴向自由面回落．圖中還可以看到液滴上方同一中心線出現(xiàn)少許細(xì)小液珠,它們是上升過程中水冢上方尖峰型部分與主體分離所形成．最終水冢向下回落,并下凹形成漏斗狀,隨后向液面收縮,由于高粘性特性,下凹部分被周圍排斥第二次形成小型水冢(幀25～30)．通過對(duì)比,氣泡在第一周期脈動(dòng)結(jié)束時(shí),高粘度液體中水冢速度為4.9 m/s,同工況水中速度為7.5 m/s,水中水冢高度約為高粘度液體的1.5倍．

圖9為星棋型水冢,此工況γf=1.08,即氣泡中心距自由面的距離近似Rmax,膨脹階段氣泡呈現(xiàn)完整球形,且氣泡在接近最大膨脹半徑的過程中,液面出現(xiàn)輕微的丘型(幀3)．氣當(dāng)泡開始坍塌時(shí),水冢底部截面距離逐步減小,但坡度逐漸向上增加,呈現(xiàn)為等腰三角形狀．隨后氣泡中出現(xiàn)寬度較大的射流,并使氣泡下表面產(chǎn)生凸起,比前面兩種工況相比范圍更寬,此階段液面水冢高度變化近似相同(幀5～6)．隨后環(huán)狀氣泡與凸起融為一體并膨脹,自由面水冢底部出現(xiàn)新的凸起 (幀8)．自由面下氣泡整體向底部運(yùn)動(dòng)的同時(shí),液面上側(cè)的水冢開始逐漸升高,頂部的尖峰漸漸與周圍的液體融合并呈現(xiàn)為球狀(幀11～13),此時(shí)水冢整體呈星棋形狀．后續(xù)過程中水冢升高幅度較小,但整體逐漸被拉長(zhǎng),水冢中底部向內(nèi)收縮(幀14～15)．最終,水冢向自由液面回落,并形成一個(gè)近似梯形的局部凹槽 (幀17),并且由于向下回落水冢的沖擊,凹槽向下分離出一個(gè)小液團(tuán)．當(dāng)完全回落時(shí),自由面又一次形成向下的凸起,并快速膨脹收縮(幀19～28),而后液團(tuán)再次反彈形成細(xì)柱．通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),氣泡在第一周期脈動(dòng)結(jié)束時(shí),高粘度液體中水冢速度為1.1 m/s,相同工況水中水冢速度為1.65 m/s,水中水冢高度約為高粘度液體的1.5倍．

圖9 γf=1.08工況下氣泡運(yùn)動(dòng)特性Fig.9 Motion characteristics of bubble when γf=1.08

圖10為小棋型水冢,此工況γf=1.19．液面下方氣泡的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程同星棋型水冢描述現(xiàn)象類似,而由于氣泡中心到自由面距離的增大,水?，F(xiàn)象與星棋型相比,高度變低水冢底部面積變大,整體近似小型的星棋．同樣當(dāng)液面水冢回落至自由面時(shí),自由面出現(xiàn)凹槽,凹槽被周邊液體的擠壓下開始收縮,下方分裂出一個(gè)小型液團(tuán)(幀28),并緩慢向底部運(yùn)動(dòng)．與自由液面相連的凸起則繼續(xù)收縮,由于動(dòng)能不足液面未生成之前所描述的二次小水冢,最終液面恢復(fù)平靜．

圖10 γf=1.19工況下氣泡運(yùn)動(dòng)特性Fig.10 Motion characteristics of bubble when γf=1.19

圖11為坦丘型水冢,此工況γf=1.83．自由面下方氣泡在膨脹階段以及坍塌初期均為完整球狀(幀2～5),當(dāng)氣泡膨脹到最大時(shí),液面才有向上隆起的趨勢(shì)．后續(xù)進(jìn)入坍塌階段,液面很快恢復(fù)平靜,并下方氣泡產(chǎn)生成射流,下表面出現(xiàn)凸起(幀8)．氣泡環(huán)與凸起作為這一整體再次膨脹,然后收縮形成下窄上寬的細(xì)錐形態(tài)(幀10)．當(dāng)t=11.75 ms時(shí)氣泡團(tuán)向底部運(yùn)動(dòng),水面再一次隆起．從圖中還可以發(fā)現(xiàn)液面與氣泡出現(xiàn)一個(gè)朝著自由面面運(yùn)動(dòng)的小液團(tuán)(幀12～14),此過程液面再次出現(xiàn)平坦丘陵?duì)钏?回落過程中,且因重力勢(shì)能較小的緣故,液面很快恢復(fù)平靜(幀16～18)．當(dāng)無量綱距離繼續(xù)增加時(shí),自由液面僅出現(xiàn)波紋一樣的微幅運(yùn)動(dòng),稱為“微波型”水冢．

圖11 γf=1.83工況下氣泡運(yùn)動(dòng)特性Fig.11 Motion characteristicsof bubble when γf=1.83

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從8個(gè)典型工況可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)γf改變時(shí),氣泡脈動(dòng)特性以及自由液面形態(tài)也會(huì)隨著變化．首先是γf的改變對(duì)液面以下產(chǎn)生氣泡的影響,圖12為100 cs硅油第一周期中氣泡最大膨脹半徑R與氣泡到自由面無量綱距離γf的關(guān)系曲線,可以看出氣泡半徑隨γf從0.67增大到1.83的過程中逐漸增大,且當(dāng)氣泡中心位置到自由面距離小于一倍最大膨脹半徑時(shí),氣泡半徑隨γf增大的增長(zhǎng)速率較快快;反之,當(dāng)距離大于一倍最大膨脹半徑時(shí),氣泡最大半徑隨γf增大的增速變緩．原因是當(dāng)γf小于1時(shí)氣泡上表面由于液面較大的影響未形成完整的球形,后續(xù)隨著γf的增大,液面對(duì)其排斥作用逐漸變小,從而氣泡實(shí)際半徑開始減速增加并逐漸趨于穩(wěn)定,并近似于自由場(chǎng)中氣泡．

圖12 氣泡最大半徑隨γf的變化Fig.12 Variation of the maximum radiusof bubbles with γf

圖13為不同γf下氣泡無量綱半徑Req*隨無量綱時(shí)間t*的變化曲線．圖中可以看出不同t*下氣泡半徑隨t*的變化趨勢(shì)大致相同,當(dāng)t*處于0到1.5階段,氣泡逐漸膨脹到最大．隨后氣泡半徑開始減小,進(jìn)入坍塌階段,當(dāng)t*處于2.5左右時(shí),氣泡半徑縮小到最小,隨后進(jìn)入第二周期運(yùn)動(dòng)階段．

圖13 氣泡無量綱半徑隨無量綱時(shí)間t*的變化曲線Fig.13 Time history of the dimensionless radiusReq* for different γf

圖14為不同γf下氣泡中心至自由液面中心的無量綱距離de*隨無量綱時(shí)間t*的變化規(guī)律．從圖中可以看出,當(dāng)γf小于1時(shí),氣泡中心位置在第一周期膨脹階段初期出現(xiàn)較小程度的增加,而后迅速遠(yuǎn)離自由液面;當(dāng)γf大于1時(shí),在第一周期中氣泡在膨脹過程中向自由液面移動(dòng),在坍塌過程中背向自由液面移動(dòng)．在t*=2.5左右時(shí),氣泡第一周期結(jié)束,該過程已產(chǎn)生射流以及形成環(huán)狀氣泡．

圖14 氣泡中心隨無量綱時(shí)間t*的變化規(guī)律Fig.14 Time history of the dimensionless center t*

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的總結(jié)發(fā)現(xiàn),當(dāng)γf處于0到0.15范圍時(shí),液面附近的氣泡和水冢形態(tài)均不穩(wěn)定,存在明顯的破碎現(xiàn)象;隨著γf的增加位于0.16～0.50時(shí),形成飛濺型水冢于氣泡第一周期時(shí)產(chǎn)生;當(dāng)γf位于0.5～0.9時(shí),形成長(zhǎng)劍型和法杖型的水冢,產(chǎn)生時(shí)間為氣泡第二、三次脈動(dòng)后期;當(dāng)γf位于0.9～1.4時(shí),形成棋型水冢,水冢高度變低,底部覆蓋自由面面積變大,在水?；芈溥^程,自由液面向下出現(xiàn)凹槽,并再次生成一個(gè)較低的水冢;當(dāng)γf遠(yuǎn)大于氣泡最大半徑時(shí),形成坦丘型水冢,水冢形態(tài)見表1．

表1 水冢及氣泡形態(tài)Table 1 Distribution of the bubble and plume

圖15為自由液面上方水冢頂點(diǎn)的無量綱距離Df隨著無量綱時(shí)間的變化曲線．可以發(fā)現(xiàn)γf越大,對(duì)應(yīng)原點(diǎn)處的斜率越小,即頂點(diǎn)速度越小,頂點(diǎn)高度也隨之越小．且以γf=1作為分界線,當(dāng)γf小于1時(shí),水冢升高速度較大,且整段上升時(shí)間隨γf的增大而增加;當(dāng)γf大于1時(shí),升高速度明顯減小,水冢整段上升高度隨γf的增大而減小,且上升所需時(shí)間遠(yuǎn)大于γf小于1時(shí)的情況．

圖15 不同γf下水冢頂點(diǎn)隨無量綱時(shí)間的變化曲線Fig.15 Variation of the vertex of the water mound withdimensionless time under different γf

3 結(jié)論

采用水下放電生成火花氣泡的方法,結(jié)合高速攝影對(duì)高粘度下氣泡與自由液面的相互作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,研究表明:

1) 當(dāng)距離參數(shù)相同,氣泡脈動(dòng)第一周期結(jié)束時(shí),水中的水冢高度和速度約為高粘度液體中水冢的1.5倍．

2) 在高粘度液體中,氣泡運(yùn)動(dòng)受自由液面影響,最大半徑隨著γf的增大而增大．

3) 高粘度液體中氣泡與自由液面相互作用出現(xiàn)復(fù)雜的水?，F(xiàn)象,根據(jù)距離參數(shù)γf的不同,總結(jié)為破碎、飛濺、長(zhǎng)劍、法杖型等8種水冢現(xiàn)象,有別于水中氣泡實(shí)驗(yàn)的水?，F(xiàn)象．

4) 當(dāng)可形成非破碎型的水冢時(shí),水冢的高度及速度隨著γf的增大而減小,可近似將γf等于1作為水冢升高速度變化的分界線．

參考文獻(xiàn)(References)

[1] BRENNEN C E. Cavitation in medicine[J]. Interface Focus, 2015, 5(5):20150022.DOI:10.1098/rsfs.2015.0022.

[2] 倪寶玉. 水下粘性氣泡(空泡)運(yùn)動(dòng)和載荷特性研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[3] 嵇春艷,季斌,郭建廷,等. 基于聲固耦合方法艦船結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)數(shù)值預(yù)報(bào)研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020, 34(2):1-7.DOI:10.11917/j.issn.1673-4807.2020.02.001.

JI Chunyan, JI Bin,GUO Jianting, et al. Numerical predietion for shock response of ship structures based on acoustic structure coupling method[J].Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition),2020, 34(2):1-7.DOI:10.11917/j.issn.1673-4807.2020.02.001.(in Chinese)

[4] 熊鷹, 韓寶玉, 時(shí)立攀. 螺旋槳梢渦空泡初生及尺度效應(yīng)研究[J]. 船舶力學(xué), 2013(5):451-459. DOI:10.3969/j.issn.1007-7294.2013.05.001.

XIONG Ying, HAN Baoyu, SHI Lipan.Study on prediction of tip-vortex cavitation inception[J]. Journal of Ship Mechanics, 2013(5):451-459.DOI:10.3969/j.issn.1007-7294.2013.05.001.(in Chinese)

[5] CHAHINE G L. Interaction between an oscillating bubble and a free surface[J]. Journal of Fluids Engineering, 1977, 99(4):709-716.DOI:10.1115/1.3448889.

[6] ZHANG A M, CUI P, CUI J, et al. Experimental study on bubble dynamics subject to buoyancy[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2015(776): 137-160. DOI: 10.1017/jfm.2015.323.

[7] WANG S P, WANG Q, ZHANG A M, et al. Experimental observations of the behaviour of a bubble inside a circular rigid tube[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2019(121): 103096.DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2019.103096.

[8] SMITH W R, WANG Q. Radiative decay of the nonlinear oscillations of an adiabatic spherical bubble at small, Mach number[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2018(837):1-18.DOI:10.1017/jfm.2017.658.

[9] ZHANG S, ZHANG A M, CUI P, et al. Simulation of air gun bubble motion in the presence of air gun body based on the finite volume method[J]. Applied Ocean Research, 2020(97): 102095.DOI: 10.1016/j.apor.2020.102095.

[10] COLE R H. Underwater explosion[M]. Princeton USA:Princeton University Press, 1948: 10-50.

[11] BENJAMIN T, ELLIS A T. The collapse of cavitation bubbles and the pressures thereby produced against solid boundaries[J]. Philosophical Transactions of The Royal Society B Biological Sciences, 1966,260(1110):221-240.DOI:10.1098/rsta.1966.0046.

[12] 張阿漫, 王超, 王詩(shī)平,等. 氣泡與自由液面相互作用的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2012,61(8):084701. DOI: 10.7498/aps.61.084701.

ZHANG Aman,WANG Chao,WANG Shiping,et al.Experimental study of interaction between bubble and free surface[J]. Acta Physica Sinca, 2012, 61(8): 084701.DOI: 10.7498/aps.61.084701.(in Chinese)