空泡動力學特性對水環(huán)境激光推進的影響.pdf

1、水環(huán)境激光推進是指利用激光在水下被推進物體的近表面產(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產(chǎn)生的作用力對水下物體進行推進。水下激光推進是空氣或真空中激光推進的延伸，又是空泡動力學應(yīng)用的拓展。本文采用理論、數(shù)值模擬和實驗手段研究了空泡的基本動力學特性及其在水環(huán)境激光推進中的作用，得到了激光能量、分界面和靶材結(jié)構(gòu)對推進參數(shù)的影響。數(shù)值模擬模型基于VOF(Volume of Fluid)算法，模擬了空泡的運動過程，

2、并且計算得到了空泡在運動過程中產(chǎn)生的推進力。實驗基于光偏轉(zhuǎn)法和高速攝影法，測量得到了空泡的脈動特性參數(shù)，以及激光推進參數(shù)。
　　在空泡動力學特性對水環(huán)境激光推進影響的研究中首先需要分析了水下激光推進中空泡對靶材動量的作用。本文通過計算水下激光推進中空泡潰滅產(chǎn)生的沖量、對比水下和空氣中激光推進的動量耦合系數(shù)發(fā)現(xiàn)空泡潰滅產(chǎn)生的沖量是水下激光推進動量的主要來源。研究還發(fā)現(xiàn)水下激光推進的動量耦合系數(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，進而導致Cm隨激光能量的增大而下降。
　　在水環(huán)境激光推進中空泡脈動產(chǎn)生的沖擊波和射流是推進力的主要來源。因此，本文具體研究了空泡在固壁面附近的潰滅特性并計算了空泡潰滅沖擊波和射流產(chǎn)生的推進力，發(fā)現(xiàn)在有限大壁面附近潰滅時產(chǎn)生的沖擊波壓強以及射流沖擊壁面時產(chǎn)生的壓強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)不同的脈動特性，從而影響推進效果。本文從理論和實驗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水下激光推進的影響。結(jié)果表明固壁面會增大空泡半徑、延長空泡脈動時間，自由面和水油分界面會減小空泡半徑、縮短空泡脈動時間。此外，發(fā)現(xiàn)在固壁面和自由面附近空泡的位置在脈動過程中會靠近固壁面、遠離自由面運動，這種現(xiàn)

5、象會改變由空泡脈動產(chǎn)生的推進力在被推進物體上的作用位置，從而可能導致推進方向發(fā)生變化。
　　在不同的受限情況下，空泡會形成不同的形狀。不同形狀空泡的運動會有新的特性，且對周圍流場有不同的影響。所以本文設(shè)計了有凹洞和無凹洞的靶材以及不同凹洞深度的靶材，對水下激光推進有無凹洞靶材的動量和動量耦合系數(shù)進行了研究，并且比較了不同凹洞深度對推進參數(shù)的影響。利用高速相機拍攝了靶材尾部產(chǎn)生的空泡形狀，進而得到了不同形狀的空泡對推進的影響。此外，