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使用水平集方法对气泡内爆进行流体动力学模拟。 (英语) Zbl 1140.76368号

摘要:利用三维直接数值模拟(DNS)研究了水中小气泡(直径10μm)内爆和反弹的流体力学。为了研究这个问题,我们开发了一种新的稳定有限元方法(FEM),该方法结合了重影流体和水平集方法。该配方将空气和水视为可压缩流体。利用该方法,获得了气泡内爆(即坍塌)和反弹的瞬态三维解。获得的这些模拟结果在性质上与先前实验/数值研究中观察到/预测的结果相似。三维模拟表明,气泡内的条件几乎是均匀的,直到汇聚的压力波足够强大,在气泡中心附近产生非常大的温度和压力。这些动态发生在非常小的空间(0.1-0.7 m)和时间(ns)尺度上。发现内爆初始阶段空气/水界面的运动与Rayleigh-Plesset模型的预测一致。然而,模拟表明,在高能内爆的最后阶段,气泡可能会变得不对称,这与之前许多气泡动力学数值研究中假设的球对称性相反。直接数值模拟预测了两种不同的不稳定性,即Rayleigh-Taylor型界面/表面和形状不稳定性。在剧烈坍塌阶段,气泡偏离球形对称,变形为椭球形气泡。基于球谐函数的线性稳定性分析也表明,可以预期椭圆气泡形状。此外,在内爆过程的后期也出现了界面不稳定性。借助数值模拟来区分这些现象,为理解最近声致发光和声融合实验的许多特征提供了新的机会。

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76M10个 有限元方法在流体力学问题中的应用
76T10型 液气两相流,气泡流
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全文: 内政部

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