崔杰，周塞北，王逸，何寶

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082）

減壓條件下豎直邊界附近氣泡動(dòng)力學(xué)行為數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究

崔杰1，周塞北1，王逸1，何寶2

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082）

為深入探究氣泡與邊界的相互作用規(guī)律，設(shè)計(jì)了減壓條件下氣泡動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，并基于勢(shì)流理論，建立氣泡與壁面相互作用的三維數(shù)值模型。將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者吻合較好，數(shù)值模型可以較好地模擬氣泡在第一周期與邊界的相互作用。此外，開展減壓電火花實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生大尺度的氣泡，研究氣泡第一周期以后氣泡與壁面的相互作用，得到計(jì)及浮力影響的氣泡射流后形成環(huán)狀氣泡的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，以及氣泡射流角度隨距離參數(shù)和浮力參數(shù)的變化規(guī)律，為氣泡對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷研究提供可行的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法。

爆炸力學(xué)；減壓；氣泡；邊界；數(shù)值模擬；實(shí)驗(yàn)

0 引言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在中遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸作用下艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性的研究方面取得了較多成果，越來越多的人開始重視水下爆炸氣泡對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷研究，人們意識(shí)到相對(duì)于沖擊波，近場(chǎng)水下爆炸氣泡載荷對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷可能更為嚴(yán)重［1］。由于爆炸氣泡實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，研究人員更多利用激光泡、火花泡等代替爆炸氣泡來研究氣泡與邊界相互作用，但由于產(chǎn)生氣泡尺度較小無法考慮所受浮力的影響，較難推廣到真實(shí)的水下爆炸情況。關(guān)于氣泡與邊界相互作用的研究，國外在20世紀(jì)中葉就已經(jīng)開始。實(shí)驗(yàn)方面:Naude等［2］第一個(gè)從實(shí)驗(yàn)中觀察到邊界附近氣泡非球形坍塌產(chǎn)生穿透氣泡射流的現(xiàn)象；Benjamin等［3］在實(shí)驗(yàn)中不僅發(fā)現(xiàn)了射流現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)使氣泡產(chǎn)生射流的因素—重力；Brujan等［4］通過實(shí)驗(yàn)得到了剛性邊界附近激光空化氣泡運(yùn)動(dòng)過程中各種典型現(xiàn)象；Lew等［5］研究了帶有圓形孔洞的剛性壁面附近氣泡射流特性，并與無孔剛性壁面進(jìn)行對(duì)比研究射流變化規(guī)律；張阿漫等［6］研究電火花氣泡與不同沙粒底面間的相互作用，得到了沙粒底面邊界具有剛性與彈性兩種特征的結(jié)論。在數(shù)值模擬方面，邊界積分法已被廣泛應(yīng)用于氣泡動(dòng)力學(xué)［7-11］，從炸藥產(chǎn)生的大尺度氣泡到空化小氣泡，各種類型的氣泡已經(jīng)得以模擬。但是，研究成果多集中在氣泡射流到穿透頂部以前，因?yàn)楫?dāng)氣泡演變成環(huán)狀氣泡后，單聯(lián)通變成了雙聯(lián)通區(qū)域，數(shù)值算法中較難解決，并且公開發(fā)表的文獻(xiàn)中關(guān)于邊界元算法的驗(yàn)證也相對(duì)較少。

目前氣泡與邊界相互作用研究更多的采用常壓下電火花氣泡實(shí)驗(yàn)的方法，但是常壓電火花氣泡尺度較小，無法計(jì)及浮力的影響，其與邊界相互機(jī)理與水下爆炸氣泡也有較大的差別。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬和減壓實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)一步研究氣泡在豎直壁面附近的動(dòng)態(tài)特性。一方面建立氣泡第一周期與壁面相互作用的三維數(shù)值模型，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有效性；另一方面開展減壓電火花實(shí)驗(yàn)，研究計(jì)及浮力影響的氣泡第一周期以后氣泡射流形成環(huán)狀氣泡的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，以及距離參數(shù)和浮力參數(shù)對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響。

1 理論與數(shù)值方法

建立如圖1所示笛卡爾坐標(biāo)系Oxyz，坐標(biāo)原點(diǎn)定義為初始時(shí)刻氣泡的中心位置，z軸方向與重力反向，Sb表示氣泡的邊界，Ss表示流場(chǎng)中的任意界面，假設(shè)流體是不可壓縮、無粘、無旋理想流體。

圖1 坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system

引入Laplace勢(shì)函數(shù)φ（x，y，z）滿足:

流場(chǎng)中的壓力可由與時(shí)間相關(guān)的Bernoulli方程得到:

式中:u代表速度矢量；ρ代表流體密度；p∞代表流場(chǎng)中z=0平面上無窮遠(yuǎn)處的壓力；g代表重力加速度。剛性壁面滿足邊界條件:

式中:邊界運(yùn)動(dòng)局部速度矢量用Vs表示。

本文采用直接邊界元法，坐標(biāo)系如圖1所示，流場(chǎng)Ω內(nèi)任意一點(diǎn)速度勢(shì)可根據(jù)Green公式采用邊界上法向速度和速度勢(shì)表示，得到無窮遠(yuǎn)處邊界積分方程［7］:

式中:q和p分別表示邊界上固定點(diǎn)和積分點(diǎn)；ζ為在p點(diǎn)觀察流場(chǎng)的立體角；S表示包括氣泡表面在內(nèi)的邊界面。在控制點(diǎn)p處立體角可以通過積分求得:

三維Green函數(shù)為

本文在時(shí)間離散過程中采用2階Runge-Kutta法對(duì)氣泡表面節(jié)點(diǎn)速度勢(shì)進(jìn)行更新，即:

本文引入表示浮力影響的無量綱參數(shù)δ、表示初始?xì)馀輧?nèi)壓力大小的無量綱參數(shù)ε、表示邊界影響的無量綱γf等特征參數(shù):

式中:d為爆點(diǎn)距壁面的距離；Rmax為氣泡最大半徑；Δp為壓力差。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

本文設(shè)計(jì)減壓條件下電火花放電裝置［12］開展氣泡與豎直壁面相互作用實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括減壓實(shí)驗(yàn)裝置、高速攝像分析系統(tǒng)、氣泡發(fā)生器、光源和水箱等.減壓容器為高1 750 mm、直徑800 mm圓柱形裝置，采用30 mm鋼板充當(dāng)剛性壁面，鋼板的尺寸為600 mm× 600 mm×30 mm.本文采用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法，選取二者相近時(shí)刻的圖形，其時(shí)間為有量綱時(shí)間，并對(duì)氣泡上、下表面及中心的垂向和橫向的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析。圖3為浮力參數(shù)δ=0.34時(shí)，氣泡與剛性壁面相互作用情況，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度22℃，點(diǎn)火時(shí)刻外部環(huán)境氣壓1 008 hPa，減壓容器內(nèi)抽壓975 hPa，氣泡距離剛性壁面48.1 mm，測(cè)得氣泡最大半徑41.9 mm.在數(shù)值模擬中，將該工況下氣泡初始條件帶入數(shù)值模型，從圖中可見，由于浮力參數(shù)較大，氣泡體積比常壓電火花氣泡［6］明顯增大，受壁面和浮力的影響產(chǎn)生明顯的斜射流。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Sketch of experimental setup

圖3（a）～圖3（c）為氣泡膨脹時(shí)期運(yùn)動(dòng)形態(tài)，由于壁面的存在呈非球形，氣泡靠近壁面一側(cè)扁平，并且具有較高速度勢(shì)，氣泡膨脹到最大體積時(shí)間為t=20.0 ms.圖3（d）表示氣泡在t=31.7 ms時(shí)的形態(tài)，氣泡上、下表面同時(shí)坍塌，下表面中心位置呈現(xiàn)較高速度勢(shì)。圖3（e）對(duì)應(yīng)氣泡射流產(chǎn)生時(shí)刻，受浮力和壁面Bjerknes力的共同影響，氣泡下表面中部向內(nèi)凹陷形成射流，形態(tài)呈現(xiàn)豆瓣形狀。圖3（f）表示氣泡在t=43.2 ms時(shí)刻的形狀及形態(tài)，可以看出由于氣泡所受浮力所占比重較大，氣泡射流與水平的夾角約為54.8°，氣泡射流即將到達(dá)氣泡上表面，氣泡射流頂點(diǎn)呈現(xiàn)較高的速度勢(shì)，數(shù)值計(jì)算時(shí)間t′=46.4 ms，時(shí)間相對(duì)誤差7.4%.

氣泡在豎直壁面附近的運(yùn)動(dòng)情況，可以看成計(jì)及浮力的自由場(chǎng)氣泡與忽略浮力的近壁面氣泡運(yùn)動(dòng)兩種情況的合成，下文在進(jìn)行氣泡運(yùn)動(dòng)曲線描述時(shí)采用無量綱形式。圖4為考慮浮力影響的自由場(chǎng)氣泡數(shù)值計(jì)算結(jié)果與本節(jié)工況氣泡上、下頂點(diǎn)及中心在豎直方向?qū)嶒?yàn)和數(shù)值對(duì)比曲線，圖5為氣泡左、右頂點(diǎn)及中心在水平方向?qū)嶒?yàn)和數(shù)值對(duì)比曲線。從兩曲線可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量吻合度較好，較之上、下表面運(yùn)動(dòng)情況，氣泡左、右表面吻合度更高，兩圖在周期方面，數(shù)值模擬值略大于實(shí)驗(yàn)值。從圖4中可以看出，在氣泡產(chǎn)生射流前，分離出來的氣泡上、下表面運(yùn)動(dòng)與相同工況單獨(dú)自由場(chǎng)氣泡運(yùn)動(dòng)情況幾乎相同，氣泡中心呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。可以認(rèn)為氣泡射流前壁面Bjerknes力對(duì)氣泡浮力方向的運(yùn)動(dòng)方向不產(chǎn)生影響，氣泡按照自由場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行膨脹、坍塌；射流產(chǎn)生后，相對(duì)于自由場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，Bjerknes力改變了射流的方向，使其坍塌速度減慢。從圖5中可以看出，在膨脹階段由于壁面的影響，靠近壁面的一側(cè)氣泡受到排擠，氣泡左、右表面的中心背向壁面移動(dòng)；在坍塌階段，遠(yuǎn)離壁面的氣泡右表面下方快速坍塌并產(chǎn)生射流，從而使左、右兩側(cè)氣泡中心再次壁面方向運(yùn)動(dòng)。所以氣泡中心在水平方向呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢(shì)，近豎直壁面氣泡的運(yùn)動(dòng)可以采用上述的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分解研究。

2.2 氣泡射流后運(yùn)動(dòng)形態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

從2.1節(jié)中可以看出，三維氣泡數(shù)值方法模擬氣泡第一周期運(yùn)動(dòng)具有較好的精度，但是當(dāng)氣泡坍塌射流后形成環(huán)狀氣泡由于網(wǎng)格畸變，三維數(shù)值方法較難繼續(xù)模擬，可是水下爆炸實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)邊界附近氣泡在第二次脈動(dòng)時(shí)候仍然具有較高的能量，其產(chǎn)生的射流對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷不容忽視［11］。因此，為了探尋邊界附近氣泡二次脈動(dòng)特性，本文采用減壓實(shí)驗(yàn)方法，營造與水下爆炸相似的距離和浮力參數(shù)，模擬豎直邊界附近氣泡二次脈動(dòng)及射流形態(tài)，研究氣泡與豎直壁面之間的相互作用規(guī)律。

圖3 氣泡與剛性壁面相互作用（δ=0.34）Fig.3 Interaction between the bubble and the rigid wall（δ=0.34）

圖4 氣泡上、下頂點(diǎn)及中心位移實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比Fig.4 Displacements of the center，top and bottom points of bubble

圖5 氣泡左、右頂點(diǎn)及中心位移實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比Fig.5 Displacements of the left and right points and center of bubble

圖6所示為氣泡近距離壁面情況，d=26.36 mm，Rm=34.81 mm，γf=0.76，δ=0.23.t=6.67 ms時(shí)刻為氣泡膨脹初期，內(nèi)部高溫高壓，呈球形迅速膨脹，此時(shí)壁面及浮力對(duì)氣泡的影響較小。在t=16.7 ms時(shí)刻，氣泡膨脹到最大體積，氣泡壓力最小，氣泡即將坍塌收縮，此時(shí)氣泡靠近壁面一側(cè)表面呈明顯的扁平形狀。23.0～26.7 ms時(shí)間內(nèi)為氣泡坍塌前期，隨著氣泡坍塌壁面和浮力對(duì)其影響增大，坍塌瞬間由于氣泡內(nèi)部壓力最小，其加速度最大，并且與氣泡運(yùn)動(dòng)方向相同，使氣泡快速靠近壁面；氣泡上、下表面同時(shí)坍塌，氣泡已經(jīng)成非軸對(duì)稱形態(tài)。28.7～31.3 ms時(shí)間內(nèi)為氣泡坍塌的后期階段，在該階段氣泡內(nèi)部壓力的急劇升高，產(chǎn)生射流，氣泡運(yùn)動(dòng)加速度減小最終與氣泡運(yùn)動(dòng)方向相反，從而使氣泡向壁面移動(dòng)距離減小。在t=28.7 ms時(shí)，受浮力的影響氣泡沒有在最右端頂點(diǎn)坍塌，而是在右下表面呈現(xiàn)凹陷形態(tài)，射流在該表面形成；受浮力和壁面的影響，該射流與水平方向成一定角度，稱作“斜射流”，該射流方向受浮力和與壁面之間距離影響很大。在t=30.0 ms時(shí)，氣泡右下方射流穿透氣泡右上方表面，垂向運(yùn)動(dòng)速度約為14.31 m/s，橫向速度8.18 m/s，斜射流與水平方向夾角29.75°.在t= 31.3 ms時(shí)，氣泡射流頂部穿透氣泡上表面的右下方，形成左大右小的不均勻環(huán)狀氣泡，圖中氣泡上表面尾跡即由射流穿透過程中產(chǎn)生，由于射流穿透的過程中具有較大的速度，使體積不均勻的環(huán)狀氣泡迅速向左方大體積環(huán)狀部分運(yùn)動(dòng)，壓縮靠近壁面一側(cè)氣泡體積，而自身繼續(xù)向壁面移動(dòng)，使環(huán)狀氣泡內(nèi)部壓力均勻平衡，并受壁面的吸引撞擊壁面，至此第一次坍塌結(jié)束，如t=33.0 ms所示。隨后環(huán)狀氣泡在豎直壁面表面開始第二次脈動(dòng)，氣泡在后面的脈動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡仍受Bjerknes力和浮力的共同影響。

圖6 氣泡與剛性壁面相互作用（γf=0.76）Fig.6 Interaction between the bubble and the rigid wall（γf=0.76）

圖7所示為氣泡距壁面約1倍半徑的情況，d= 37.77 mm，Rm=33.79 mm，γf=1.12，δ=0.23.該工況d略大于圖6中工況，氣泡達(dá)到最大體積前保持球形膨脹，此時(shí)浮力及壁面對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)影響較小。在t=28.0 ms時(shí)，受浮力和壁面的影響氣泡在右下表面呈現(xiàn)凹陷形態(tài)，射流形成。在t=29.3 ms時(shí)，氣泡右下方射流穿透氣泡右上方表面，形成不均勻環(huán)狀氣泡，垂向運(yùn)動(dòng)速度約為14.99 m/s，橫向速度10.22 m/s，斜射流與水平方向夾角34.29°，氣泡開始第二次脈動(dòng)。t在30.0～46.7 ms時(shí)為氣泡第二次坍塌運(yùn)動(dòng)形態(tài)，氣泡再次膨脹過程中，受浮力和壁面影響，自身具有射流前的殘余速度，環(huán)狀氣泡繼續(xù)沿著第一次射流時(shí)的方向運(yùn)動(dòng)，膨脹最終在剛性壁面坍塌破碎。

圖7 氣泡與剛性壁面相互作用（γf=1.12）Fig.7 Interaction between the bubble and the rigid wall（γf=1.12）

圖8所示為氣泡距離壁面較遠(yuǎn)的情況，d= 52.99 mm，Rm=35.56 mm，γf=1.49，δ=0.23.在t=29.3 ms時(shí)，氣泡右下方射流穿透氣泡右上方表面，垂向運(yùn)動(dòng)速度約為14.99 m/s，橫向速度17.71 m/s，斜射流與水平方向夾角49.76°.30.0～46.7 ms時(shí)間內(nèi)為氣泡二次膨脹坍塌過程，二次膨脹階段受浮力和壁面的影響較小，在坍塌階段受其影響較大，如t=40.0 ms和t=43.3 ms所示坍塌階段，氣泡上表面被壁面強(qiáng)烈的吸引，形成尖峰狀，氣泡二次脈動(dòng)斜向上運(yùn)動(dòng)角度與第一次脈動(dòng)射流時(shí)期相似，并于坍塌后期靠近壁面一段與環(huán)狀氣泡主體分離，最終環(huán)狀氣泡坍塌，產(chǎn)生第二次射流在壁面附近破碎。

圖8 氣泡與剛性壁面相互作用（γf=1.49）Fig.8 Interaction between the bubble and the rigid wall（γf=1.49）

圖9給出了以上3個(gè)工況氣泡左、右表面及其中心隨時(shí)間變化的曲線，從圖中可以看出，氣泡膨脹階段靠近側(cè)方固壁的一側(cè)表面被壁面排擠；坍塌階段，遠(yuǎn)離壁面一方氣泡表面移動(dòng)速度快于左側(cè)；距離剛性壁面越近，受壁面的影響越為嚴(yán)重，氣泡坍塌速度越慢，運(yùn)動(dòng)周期越大；豎直壁面附近氣泡左右表面的運(yùn)動(dòng)情況，可以近似看成不計(jì)及浮力影響的氣泡與水平剛性邊界的運(yùn)動(dòng)。

2.3 氣泡射流影響因素

為了研究距離參數(shù)γf和浮力參數(shù)δ對(duì)近豎直壁面附近氣泡動(dòng)態(tài)特性的影響，圖10和圖11分別給出了不同γf和δ的氣泡坍塌最后時(shí)刻形成斜射流的形狀。圖10中δ=0.23，從圖中可以看出，隨著γf的增大，氣泡坍塌形成的射流越寬，射流形成時(shí)間越早，形成射流時(shí)體積越小，射流方向與豎直方向夾角越小。

圖9 氣泡左、右及其中心位移隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Displacements of the left and right points and center of bubbles

圖10 不同γf時(shí)的氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)Fig.10 Movement of bubble when γfchanges

圖11 不同δ時(shí)的氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)Fig.11 Movement of bubble when δ changes

圖11所示工況距離參數(shù)γf=1.1，從圖中可以看出，隨著δ的增大，氣泡坍塌形成的射流越寬，射流形成時(shí)間越早，形成射流體積越大，射流方向與豎直方向夾角越小。在真實(shí)的近場(chǎng)水下爆炸過程中，典型攻擊武器對(duì)艦船結(jié)構(gòu)所打擊的位置往往是舷側(cè)和底部，艦船結(jié)構(gòu)在遭受沖擊波的一次打擊后，很可能再次遭受氣泡射流的二次毀傷，而往往射流的毀傷是致命的，艦船毀傷的程度也與射流角度有關(guān)。通過本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，不同的γf和δ組合會(huì)產(chǎn)生不同的射流角度，其射流角度又決定了射流對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊的位置。圖12給出了豎直壁面附近氣泡射流角度隨γf-δ分布規(guī)律的減壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將圖劃分為A、B和C 3個(gè)區(qū)域，其中:A區(qū)代表毀傷最為嚴(yán)重區(qū)域，該區(qū)域射流方向與豎直角度最大；B區(qū)代表毀傷適中區(qū)域，該區(qū)域射流方向角度位于30°～60°之間；C區(qū)域?yàn)闅钊鯀^(qū)域，該區(qū)域射流角度幾乎與浮力方向相同，可以認(rèn)為該區(qū)域最為偏于安全。圖12示意圖可以為計(jì)及浮力影響的側(cè)方氣泡對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊特性做初步判斷。

圖12 γf-δ分布區(qū)域?qū)ι淞鹘嵌鹊挠绊慒ig.12 Angles of jet with different γfand δ

3 結(jié)論

基于勢(shì)流理論，建立了氣泡與豎直邊界相互作用的三維數(shù)值模型，并將計(jì)算值與減壓條件下氣泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者吻合較好，三維氣泡數(shù)值模型可以較好地模擬氣泡在第一周期內(nèi)與結(jié)構(gòu)的相互作用。同時(shí)，采用減壓實(shí)驗(yàn)方法研究氣泡射流后形成環(huán)狀氣泡的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及氣泡射流方向隨距離參數(shù)和浮力參數(shù)的變化規(guī)律。得出了以下結(jié)論:

1）氣泡在豎直壁面附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，即與壁面Bjerknes力呈90°，氣泡運(yùn)動(dòng)可以看成計(jì)及浮力影響的自由場(chǎng)氣泡和忽略浮力影響的近壁面氣泡運(yùn)動(dòng)的合成。

2）氣泡二次脈動(dòng)方向與第一次脈動(dòng)結(jié)束產(chǎn)生射流方向相同；環(huán)狀氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近壁面一側(cè)可能會(huì)受壁面的影響而與氣泡主體分離。

3）豎直壁面附近氣泡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的射流，隨著γf的增大，氣泡坍塌形成的射流越寬，射流形成時(shí)間越早，形成射流體積越小，射流方向與豎直方向夾角越??；隨著δ的增大，氣泡坍塌形成的射流越寬，射流形成的時(shí)間越早，形成的射流體積越大，射流方向與豎直方向的夾角越小。

4）氣泡射流角度可以按照γf-δ分布劃分區(qū)間，γf和δ越大，氣泡附近豎直方向的結(jié)構(gòu)越安全。

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Experimental and Numerical Study of Dynamic Behavior of Bubble around Vertical Boundary under Hypobaric Condition

CUI Jie1，ZHOU Sai-bei1，WANG Yi1，HE Bao2
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，Jiangsu，China；2.China Ship Scientific Research Centre，Wuxi 214082，Jiangsu，China）

In order to research the interaction between near-field bubble and nearby boundaries，a multifunction experimental apparatus operating under reduced air pressure is designed.A three-dimensional numerical model is established based on the potential flow theory.By comparison of experimental and simulated results，the numerical model is found to have good accuracy in simulating the bubble oscillation in the first period.Besides，the motion of bubble near a vertical wall after the first period is studied experimentally.The toroidal motion of the bubble after being penetrated by the jet is studied under different buoyancy effects；the variation of the jet angle with the standoff distance is shown.The work provides reference for relevant numerical and experimental studies in structural damage induced by bubbles.

explosion mechanics；pressure reduction；bubble；boundary；numerical simulation；experiment

N913；T31；T1.47

A

1000-1093（2015）09-1696-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.014

2015-03-04

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51409129、51409128）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（BK20140504）；江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（14KJB570001）

崔杰（1984—），男，講師，博士。E-mail:cuijie2006@hotmail.com