空泡動(dòng)力學(xué)特性對(duì)水環(huán)境激光推進(jìn)的影響.pdf

1、水環(huán)境激光推進(jìn)是指利用激光在水下被推進(jìn)物體的近表面產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象，形成等離子體、沖擊波以及空泡，之后利用沖擊波及空泡脈動(dòng)產(chǎn)生的作用力對(duì)水下物體進(jìn)行推進(jìn)。水下激光推進(jìn)是空氣或真空中激光推進(jìn)的延伸，又是空泡動(dòng)力學(xué)應(yīng)用的拓展。本文采用理論、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)手段研究了空泡的基本動(dòng)力學(xué)特性及其在水環(huán)境激光推進(jìn)中的作用，得到了激光能量、分界面和靶材結(jié)構(gòu)對(duì)推進(jìn)參數(shù)的影響。數(shù)值模擬模型基于VOF(Volume of Fluid)算法，模擬了空泡的運(yùn)動(dòng)過程，

2、并且計(jì)算得到了空泡在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的推進(jìn)力。實(shí)驗(yàn)基于光偏轉(zhuǎn)法和高速攝影法，測(cè)量得到了空泡的脈動(dòng)特性參數(shù)，以及激光推進(jìn)參數(shù)。
　　在空泡動(dòng)力學(xué)特性對(duì)水環(huán)境激光推進(jìn)影響的研究中首先需要分析了水下激光推進(jìn)中空泡對(duì)靶材動(dòng)量的作用。本文通過計(jì)算水下激光推進(jìn)中空泡潰滅產(chǎn)生的沖量、對(duì)比水下和空氣中激光推進(jìn)的動(dòng)量耦合系數(shù)發(fā)現(xiàn)空泡潰滅產(chǎn)生的沖量是水下激光推進(jìn)動(dòng)量的主要來源。研究還發(fā)現(xiàn)水下激光推進(jìn)的動(dòng)量耦合系數(shù)Cm先隨激光能量的增大而增大，之后由于等

3、離子體屏蔽效應(yīng)使空泡潰滅所產(chǎn)生的沖量變化趨于平緩，進(jìn)而導(dǎo)致Cm隨激光能量的增大而下降。
　　在水環(huán)境激光推進(jìn)中空泡脈動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波和射流是推進(jìn)力的主要來源。因此，本文具體研究了空泡在固壁面附近的潰滅特性并計(jì)算了空泡潰滅沖擊波和射流產(chǎn)生的推進(jìn)力，發(fā)現(xiàn)在有限大壁面附近潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波壓強(qiáng)以及射流沖擊壁面時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)都高于無限大壁面的情況。此外，比較了空泡在無限大和有限大固壁面附近的潰滅特性，包括空泡的最大半徑和潰滅周期等，發(fā)現(xiàn)與無限

4、大壁面的情況相比，在有限大壁面附近空泡潰滅周期短，即潰滅更劇烈。
　　在不同的分界面附近空泡呈現(xiàn)不同的脈動(dòng)特性，從而影響推進(jìn)效果。本文從理論和實(shí)驗(yàn)方面研究了空泡在固壁面、自由面和液-液分界面附近的潰滅的特性，討論了不同分界面對(duì)水下激光推進(jìn)的影響。結(jié)果表明固壁面會(huì)增大空泡半徑、延長(zhǎng)空泡脈動(dòng)時(shí)間，自由面和水油分界面會(huì)減小空泡半徑、縮短空泡脈動(dòng)時(shí)間。此外，發(fā)現(xiàn)在固壁面和自由面附近空泡的位置在脈動(dòng)過程中會(huì)靠近固壁面、遠(yuǎn)離自由面運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)

5、象會(huì)改變由空泡脈動(dòng)產(chǎn)生的推進(jìn)力在被推進(jìn)物體上的作用位置，從而可能導(dǎo)致推進(jìn)方向發(fā)生變化。
　　在不同的受限情況下，空泡會(huì)形成不同的形狀。不同形狀空泡的運(yùn)動(dòng)會(huì)有新的特性，且對(duì)周圍流場(chǎng)有不同的影響。所以本文設(shè)計(jì)了有凹洞和無凹洞的靶材以及不同凹洞深度的靶材，對(duì)水下激光推進(jìn)有無凹洞靶材的動(dòng)量和動(dòng)量耦合系數(shù)進(jìn)行了研究，并且比較了不同凹洞深度對(duì)推進(jìn)參數(shù)的影響。利用高速相機(jī)拍攝了靶材尾部產(chǎn)生的空泡形狀，進(jìn)而得到了不同形狀的空泡對(duì)推進(jìn)的影響。此外，