环境参数对激光空泡动力学行为的影响及测试方法研究

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本文采用理论、实验和数值计算的手段研究了环境压强、圆锥边界对激光空泡的溃灭时间、最大泡半经、射流形成等动力学行为的影响。针对空泡在固体边界附近的溃灭过程,采用有限体积(FVM)离散方法及VOF界面追踪方法建立了相应的数值计算模型,同时采用实验验证和网格无关性验证的手段验证了该模型及计算结果的有效性;提出以空泡纵剖面的上表面泡壁中心的右邻域范围内的泡壁的函数的一阶导数作为射流形成的判据。应用几何光学的原理研究了激光空泡对探测光束的偏折程度的影响及光偏转法测试空泡泡半径的测试原理;针对原空泡最大泡半径实验判据的局限性,应用非等精度测量的原理研究并提出了光偏转法探测空泡最大泡半径的实验判据,使得在获得最大泡半径的加权平均值及其标准差的同时大大提高探测效率。通过理论、实验和数值手段研究了环境压强对空泡动力学的影响,得到了不同环境压强下空泡的溃灭过程并从中提取了空泡的溃灭时间、最大泡半径、射流的形成、射流冲击力等参数值。研究结果表明随着环境压强的增大,空泡的最大泡半径、溃灭时间非线性减小,空泡的上表面泡壁中心点的收缩速度、溃灭时刻的射流速度、射流冲击力非线性增大。但是空泡溃灭过程中射流形成的相对时刻及其形成时刻的泡心迁移比不随环境压强的变化而变化。针对圆锥边界附近的空泡的动力学行为,建立了圆锥边界对空泡动力学行为影响的虚平面边界模型,结合Rayleigh-Plesset方程及数据拟合的手段得到了圆锥边界附近空泡的溃灭时间的表达式。采用数值计算、光偏转法和阴影摄影法的实验手段研究了不同锥角度的圆锥边界附近的空泡的溃灭行为。研究结论表明圆锥边界的锥角度越大,空泡受边界的影响程度越大,其溃灭时间、空泡轮廓偏离球形的程度、溃灭时刻的泡心迁移比和体积也越大,且较大锥角度的圆锥边界可以促使空泡形成有效的液体射流。同一锥角度的锥边界对空泡动力学的影响效果随着空泡的无量纲距离的增大而减小,但与空泡的最大泡半径无关。本文的研究成果有助于加深对空化和空蚀现象的认识,从而将空泡溃灭过程中产生的高温高压及高速液体射流有效的应用在科研和生产等环节中,同时也为提高激光在加工、医疗、水下推进等应用领域中的效率提供理论和实验依据。
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