激光空泡相互作用及非對稱潰滅的力學(xué)特性研究.pdf

1、本文研究了激光致空泡與不同形態(tài)固壁面、膠體界面和自由液面的相互作用，激光致雙空泡間相互作用，以及汽泡群內(nèi)泡間相互作用機(jī)理。研究重點(diǎn)放在不同環(huán)境非對稱約束對于空泡脈動(dòng)和潰滅特性的影響，從而探討了空泡及空泡群對于附近物體的機(jī)械效應(yīng)控制與優(yōu)化策略。
　　為建立激光致空泡脈動(dòng)和漬滅，及其與周圍物體相互作用產(chǎn)生動(dòng)量耦合的數(shù)值仿真模型，首先通過修正泡內(nèi)物質(zhì)狀態(tài)方程，建立了適合于描述無限大液體環(huán)境中激光致單空泡脈動(dòng)特性的一維理論模型。通過該模型

2、數(shù)值解對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合，得到了激光空泡內(nèi)物質(zhì)演化特性。對描述可壓縮粘性流體中空泡脈動(dòng)的Keller-Miksis模型進(jìn)行了數(shù)值求解，發(fā)現(xiàn)隨著空泡振幅增加，其脈動(dòng)特性呈非線性增加，進(jìn)而更多的泡能轉(zhuǎn)化為聲輻射參與空泡對于附近物體的動(dòng)量傳遞過程。
　　通過基于有限元方法和有限體積方法的任意拉格朗日歐拉耦合算法，建立了單空泡與不同形態(tài)固壁面相互作用三維數(shù)值模型。利用該高度非線性顯示動(dòng)力學(xué)模型通過數(shù)值仿真，以空泡對物體能量傳遞效率最大化為目

3、標(biāo)，設(shè)計(jì)優(yōu)化了被推進(jìn)物的推進(jìn)面形態(tài)?；谠撛O(shè)計(jì)制作了大小實(shí)物模型，在實(shí)驗(yàn)研究中利用光偏轉(zhuǎn)方法測量了激光單脈沖作用下，得到了被推進(jìn)物體獲得的動(dòng)能和動(dòng)量耦合系數(shù)。研究結(jié)果表明，聚焦光束對周圍物體的機(jī)械作用主要通過激光等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和空泡潰滅射流沖擊得以實(shí)現(xiàn)，并且空泡附近半球形固壁約束面可以達(dá)到最佳動(dòng)量耦合系數(shù)。
　　通過基于有限體積方法的體積分?jǐn)?shù)法，建立了激光致雙空泡相互作用數(shù)值計(jì)算模型。研究結(jié)果表明，可以通過設(shè)置不同

4、的空泡間相對距離、空泡相位差和空泡相對大小參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)對于空泡潰滅射流大小和方向的有效控制，進(jìn)而有望實(shí)現(xiàn)激光空泡對于附近物體機(jī)械效應(yīng)的靈活、有效控制。由數(shù)值模擬結(jié)果還可以預(yù)測:當(dāng)空泡空間尺度從毫米量級(jí)降至微米量級(jí)，空泡相互作用的動(dòng)力學(xué)特征將產(chǎn)生可測變化，進(jìn)而影響空泡對于周圍物體的機(jī)械效應(yīng)，以及相應(yīng)的控制參數(shù)選擇。特別是基于哈密爾頓力學(xué)的空泡群相互作用模型，可以有效模擬群內(nèi)每一個(gè)空泡在泡間相互作用下脈動(dòng)特性的改變和相對大尺度的遷移行為。