船舶学院团队在气泡理论上取得新进展-哈尔滨工程大学新闻

船舶学院团队在气泡理论上取得新进展

作者
王诗平

来源
船舶学院

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更新时间
2024-11-23

日前，张阿漫教授团队在前期建立的具有统一形式气泡方程的基础上，计入相变耦合效应，推导了同时考虑气泡脉动力、迁移力、环境耦合力、相变的气泡动力学方程，被《流体力学杂志》审稿专家评价为“非常稳健、易于应用”。该方程具有更高的精度和更广的适用性，可揭示不同条件下气泡动力学行为的影响机制，发现流体可压缩性、相变、脉动、迁移等因素影响下的气泡动力学规律，为深海勘探、空化等气泡动力学研究提供理论基础。11月14日，研究成果《一个考虑相变和迁移的可压缩气泡动力学理论模型》发表于流体力学顶级期刊《流体力学杂志》（《Journal of Fluid Mechanics》）上。

图1气泡相变过程

从深海勘探和海底火山喷发到枪虾气泡捕猎，从药物输送和超声治疗到气泡清洗，从沸腾的开水和水中高速航行体到气泡破冰，气泡在自然界和生活中广泛存在，在船舶、海洋、先进制造、环境与化工、医学和生命科学等许多领域有重要价值。气泡运动涉及气泡脉动、迁移、相变、可压缩性、环境流场、粘性、表面张力等多物理因素，这些因素均可对气泡动力学行为产生重要影响，从理论上定量分析这些因素的影响是理解、掌握和利用气泡的关键步骤之一。其中相变效应的描述是气泡动力学中一个核心而复杂的问题，流体可压缩性、相变、迁移等因素可同时对气泡动力学产生显著影响，迄今为止，缺乏相应的气泡理论模型来描述这一物理过程。

图2 近边界空化气泡动力学行为

张阿漫教授团队在前期气泡理论工作的基础上，计入相变源耦合效应，推导了同时考虑气泡脉动力、迁移力、环境耦合力和相变的气泡方程，该方程具有简洁统一的数学形式和明确的物理意义，能够退化到Keller-Miksis、Gilmore、Rayleigh-Plesset等经典气泡方程。

图3 计入相变等多物理因素的气泡动力学方程

方程的左端第一项代表了气泡脉动、迁移和环境耦合力，第二项为相变源项，右端项为气泡的体积加速度。通过与不同环境下的系列气泡动力学实验结果对比分析，表明该方程具有更高的精度和更广的适用性，揭示了不同条件下气泡动力学机制与规律，并发现相变对气泡动力学的影响不仅体现在方程中的相变源项，而且更体现在H项中，不仅显著影响气泡坍塌的剧烈程度，而且会影响流体可压缩性对气泡能量损失的贡献。

图4 高压气枪阵列深海勘探原理(资料图)

高压气枪阵列是深海勘探不可或缺的关键装备，大容量的新型低频高压气枪震源国际上处于起步阶段。以计入相变等多物理因素的气泡动力学方程为理论基础，团队的新型低频气枪试验获得了理想的低频频谱，在深海探测新型低频大容量气枪震源装备的自主研发上取得了新进展。该装备国产化率100%，低频可达2Hz，勘探深度10公里，比传统气枪勘探深度提高一倍，反演技术优于国外，可以进一步促进我国深海探测事业的发展。