黄超的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/westcotthc BBB

博文

气泡动力学研究方法及进展 Part 1

已有 6366 次阅读 2011-5-26 18:32 |个人分类:学习心得|系统分类:科研笔记|关键词:气泡,,流体力学| 流体力学, 气泡

注:本文为作者原创,如需转载,请注明出处。
        在流体中处于静止的气泡本身并不对周围环境造成很大的影响,但由气泡运动所引发的一系列过程可能导致能量聚焦效应,从而产生很大的威力。例如,自然界中生存着一种手枪虾,其捕猎时将螯快速合上,射出一道时速高达100公里左右的水射流,射流在高速运动过程中会产生空泡,空泡坍塌产生的冲击波能够将猎物如小鱼、小蟹震慑、击昏,甚至杀死,同时这个过程还以光的形式释放能量,研究人员将此现象戏称为“虾光现象”(Lohse 2001)。又如,在工程界,涡轮机中的微小蒸汽泡的坍塌产生的射流冲击往往会使金属叶片表面遭受侵蚀和形成凹坑,从而导致机械效率降低,并产生机械噪声。在诸如这些现象中,气泡的坍塌使得能量在很短的时间内集中在一个很小的区域里,达到高能量密度状态,或以声光现象(sonoluminescence)、或以射流(liquid jet)的形式释放,这样的物理力学机制引起了工程界极大的兴趣,例如水下爆炸气泡动力学及其产生的舰船冲击环境问题近年来受到了各国海军的广泛关注。

        Leonardo da Vinci恐怕是最早运用力学观点研究气泡动力学的学者,他突破了亚里士多德力学框架的限制,采用冲量来解释静止流体中气泡以螺旋线或之字线轨迹上浮,而不是沿直线运动的现象,即Leonardo佯谬(Prosperetti 2004)。当时的力学理论和实验条件这两个因素都不具备,但Leonardo da Vinci仍然在有限的条件下给出了自己的解释实属难得,因为直到今天这个问题仍在研究当中。1789年法国大革命后,综合性工科学校的逐步推广极大的促进了力学研究的发展,在这之后,Besant(1859)Lord Rayleigh(1917)Lamb(1932)等人逐步奠定了气泡动力学研究的基本理论,建立了理想不可压缩流体中球形气泡的运动模型,并由Plesset & Prosperetti(1977)进行了一系列完善,建立了著名的Rayleigh-Plesset模型。第一次、第二次世界大战的发生促进了世界工业水平的迅速提升,也带动了流体力学实验条件的发展,大量的实验技术被应用到水下爆炸研究领域,从机械式传感器到压电式传感器、从单幅闪光照相到高速摄影,都获得了大量宝贵的实验数据。与此同时,也涌现出许多工程应用色彩较强的理论成果,如Herring(1941)Kirkwood & Bethe(1942)Cole(1948)Gilmore(1952)Trilling(1952)等在可压缩流气泡动力学方面做出的贡献。20世纪中后期,随着信息时代的到来,光、电技术的发展为科学研究提供了新的工具,借助这些工具,人们通过物理实验证实了许多理论预测的现象,如射流(Benjamin & Ellis1966)、涡环结构(Lauterborn 1985)等。另外,计算机的数值计算能力的提高使得许多气泡动力学数值模型得以发展,如Prosperetti & Lezzi(1986)Blake & Gibson(1987)Wilkerson(1990)Geers & Hunter(2002)的重要研究。而得益于电荷藕合元件(Charge-coupled Device)的发展,人们可以将高速数字摄影技术应用到气泡运动全过程的观测,如Chahine(1995)等、Menon(1998)等、Klaseboer(2005)等、Thoroddsen(2008)等。今天,气泡动力学已经从单一的流体力学问题发展到涵盖物理学(声致发光气泡核聚变超声清洗)、化学(超声化学)、生物和医学(超声碎石术)、气象和海洋科学(海岸侵蚀)等领域的综合性学科。尽管如此,气泡动力学研究中仍然有许多现象和问题亟待人们去观察和研究,正如Lohse(2003)所总结的:气泡在我们生活中很常见,它们在物理、化学、医药和工程领域中扮演者重要的角色,然而,其所展现出来的行为却往往出人意料,并且在很多问题中尚不为人所知。

        从以上气泡动力学研究发展历史的简要概括可以发现,理论方法、实验方法和数值模拟构成了气泡动力学研究的三个重要组成部分。经过一个多世纪的发展,气泡动力学的理论已经较为完善,成为了气泡问题研究的基础,而受益于技术的不断革新,实验方法和数值模拟的发展仍在不断前进。在水下爆炸气泡研究领域,由于实验的危险性和耗费性,数值模拟研究占有的比重越来越大,但是,目前它还不能完全取代实验研究。只有综合运用实验、理论和数值模拟这个三个科学工具,才能够帮助我们更深刻的认知问题和解决问题。


http://blog.sciencenet.cn/blog-220969-448291.html

上一篇:水下爆炸气泡的基本现象及规律
下一篇:气泡动力学研究方法及进展 Part 3

2 刘亚俊 陈立军

发表评论 评论 (3 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-2-23 07:54

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部