激光空泡相互作用及非對稱潰滅的力學特性研究.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，以及汽泡群內泡間相互作用機理。研究重點放在不同環(huán)境非對稱約束對于空泡脈動和潰滅特性的影響，從而探討了空泡及空泡群對于附近物體的機械效應控制與優(yōu)化策略。
　　為建立激光致空泡脈動和漬滅，及其與周圍物體相互作用產生動量耦合的數(shù)值仿真模型，首先通過修正泡內物質狀態(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特性的一維理論模型。通過該模型

2、數(shù)值解對實驗結果的擬合，得到了激光空泡內物質演化特性。對描述可壓縮粘性流體中空泡脈動的Keller-Miksis模型進行了數(shù)值求解，發(fā)現(xiàn)隨著空泡振幅增加，其脈動特性呈非線性增加，進而更多的泡能轉化為聲輻射參與空泡對于附近物體的動量傳遞過程。
　　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力學模型通過數(shù)值仿真，以空泡對物體能量傳遞效率最大化為目

3、標，設計優(yōu)化了被推進物的推進面形態(tài)?；谠撛O計制作了大小實物模型，在實驗研究中利用光偏轉方法測量了激光單脈沖作用下，得到了被推進物體獲得的動能和動量耦合系數(shù)。研究結果表明，聚焦光束對周圍物體的機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現(xiàn)，并且空泡附近半球形固壁約束面可以達到最佳動量耦合系數(shù)。
　　通過基于有限體積方法的體積分數(shù)法，建立了激光致雙空泡相互作用數(shù)值計算模型。研究結果表明，可以通過設置不同

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，實現(xiàn)對于空泡潰滅射流大小和方向的有效控制，進而有望實現(xiàn)激光空泡對于附近物體機械效應的靈活、有效控制。由數(shù)值模擬結果還可以預測:當空泡空間尺度從毫米量級降至微米量級，空泡相互作用的動力學特征將產生可測變化，進而影響空泡對于周圍物體的機械效應，以及相應的控制參數(shù)選擇。特別是基于哈密爾頓力學的空泡群相互作用模型，可以有效模擬群內每一個空泡在泡間相互作用下脈動特性的改變和相對大尺度的遷移行為。