气泡动力学受浮力影响的实验研究学术报告

作者及发表信息

本研究的作者包括：
- A. M. Zhang（第一作者及通讯作者，哈尔滨工程大学船舶工程学院）
- P. Cui（哈尔滨工程大学船舶工程学院）
- J. Cui（江苏科技大学船舶与海洋工程学院）
- Q. X. Wang（英国伯明翰大学数学学院）

该研究于2015年发表在流体力学领域的重要期刊《Journal of Fluid Mechanics》（J. Fluid Mech.）第776卷，页码137–160，DOI:10.1017/jfm.2015.323。

学术背景

本研究属于气泡动力学（bubble dynamics）领域，重点关注浮力（buoyancy）对气泡行为的影响，尤其是与水下爆炸（underwater explosion, UNDEX）相关的应用场景。

研究背景

1. 气泡动力学研究的分类：

   • 微观空化气泡（microscopic cavitation bubbles）：浮力效应可忽略。
     
   • 大型气泡（如UNDEX气泡）：浮力效应显著，但实验观测困难（因爆炸产物不透明）。
     
   • 电火花生成气泡（spark-generated bubbles）：可作为UNDEX气泡的实验室模型，因其透明且尺寸可控。
     

2. 研究动机：

   • 现有研究多聚焦于浮力参数δ（δ = √(ρgrm)/(pamb − pv)）较小的场景（δ < 0.3），缺乏对高浮力（δ = 0.034–0.95）的系统研究。
     
   • 浮力与边界效应（如自由表面或刚性壁面）的竞争关系尚不明确，尤其是两者平衡时的气泡行为。
     

研究目标

• 通过实验量化浮力对气泡动力学的影响，包括迁移、射流形成、分裂等行为。
  
• 建立浮力与边界效应（Bjerknes力）竞争下的气泡行为准则。
  

研究流程

1. 实验装置与方法

实验装置

• 低压水槽：圆柱形钢制压力罐（高1200 mm，内径800 mm），配备真空泵和气压计以调节环境压力（pair）。
  
• 气泡生成：通过电容放电（6600 µF，200 V）在电极连接点产生电火花气泡（discharge bubble），气泡最大半径rm可达55 mm。
  
• 高速摄影：Phantom V12.1相机（15,000帧/秒，曝光时间10 µs），配合漫射光源捕捉气泡内部结构。
  

关键参数

• 浮力参数δ：通过调节pair和水深d控制，δ范围0.034–0.95。
  
• 无量纲距离：自由表面距离γf = df/rm，刚性壁面距离γw = dw/rm。
  

2. 实验设计

研究分为三种配置：
1. 无限流体中的气泡：分析浮力单独作用下的射流速度、迁移等。
2. 自由表面下方的气泡：研究浮力与自由表面Bjerknes力的竞争。
3. 刚性壁面上方的气泡：分析浮力与壁面Bjerknes力的相互作用。

3. 数据处理

• 气泡尺寸：通过图像分析计算最大半径rm。
  
• 射流速度：从高速影像中测量射流尖端速度。
  
• 中性坍塌（neutral collapse）判定：通过观察射流方向或气泡分裂行为。
  

主要结果

1. 无限流体中的气泡

• 射流形成：高浮力（δ > 0.2）时，射流在坍塌中期形成，截面宽且透明（图2-3）；低浮力时射流仅在坍塌末期出现。
  
• 迁移规律：气泡质心在振荡周期内持续上移，δ越大迁移越显著（图7b）。
  
• 周期变化：第一振荡周期随δ减小而延长（δ < 0.2时周期达3.5倍Rayleigh时间）。
  

2. 自由表面附近的气泡

• 三种行为模式（图16）：
  
  • Bjerknes力主导：射流远离自由表面（如δ=0.4, γf=0.62）。
    
  • 浮力主导：射流朝向自由表面（如δ=0.781, γf=1.53）。
    
  • 中性坍塌：气泡分裂（小δ）或形成“红细胞形状”（大δ，图14）。
    
• 新准则：中性坍塌的临界条件为δ = exp(0.33γf² − 2.0γf + 1.1)，与Blake等人的理论（δγf ≈ 0.442）存在偏差。
  

3. 刚性壁面附近的气泡

• 分裂现象：当浮力与Bjerknes力平衡时（δ=0.352, γw=1.03），气泡横向收缩并分裂为两部分（图19）。
  
• 射流方向准则（图20）：中性分裂的临界曲线为δ = exp(0.09γf² + 0.9γf − 0.2)。
  

结论与价值

科学意义

• 首次系统量化了高浮力参数（δ至0.95）下气泡的动力行为，填补了UNDEX气泡与空化气泡之间的研究空白。
  
• 揭示了浮力与边界效应竞争下的复杂现象（如气泡分裂、双向射流），为理论模型提供了实验验证。
  

应用价值

• 为水下爆炸、船舶抗冲击设计提供数据支持。
  
• 透明气泡的观测方法可推广至医疗（如激光空化）和工业（如超声清洗）领域。
  

研究亮点

1. 创新性方法：通过低压环境实现高浮力参数，结合高速摄影捕捉透明气泡的内部动力学。
   
2. 新现象发现：如“红细胞形”坍塌、气泡分裂后的再融合等。
   
3. 准则修正：实验验证了Blake理论的局限性，提出了更精确的中性坍塌判据。
   

其他价值

• 实验数据可用于计算流体力学（CFD）模型的验证，如边界元法（Boundary Element Method, BIM）的改进（Zhang & Liu, 2015）。
  
• 对微重力环境下的气泡行为研究（如Obreschkow et al., 2006）提供了对比基准。