具有高度非球状特征的大尺度气枪气泡动力学建模

深入理解米级气枪气泡的动力学对海底地球物理勘探至关重要。本研究采用边界积分法考察高度非球状气枪气泡动力学及其相应的压力波发射。此外,提出一个模型以同时考虑气枪端口的放气过程,发现该过程乃是估算压力波初始峰值的最关键因素。数值模拟在非球状气泡形状与压力波方面与实验吻合良好。随后,对端口开启时间 $T\rm_{open}$、气枪激发深度、传热与重力的影响进行了数值研究。我们发现较小的 $T\rm_{open}$ 导致更剧烈的放气,进而引起更强的高频压力波发射;然而低频压力波几乎不受影响。此外,非球状气泡动力学高度依赖于弗劳德数 $Fr$。从 $Fr=2$ 起,随 $Fr$ 增大,射流所含动能降低,导致气泡塌缩自身的能量聚焦更强,从而在气泡塌缩阶段产生更大的压力峰值。对于 $Fr \ge 7$,球状气泡理论成为对气枪气泡的恰当描述。本研究的这些新发现可为近未来的实际操作与设计环境友好型气枪提供参考。