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張阿漫教授團(tuán)隊(duì)在前期建立的具有統(tǒng)一形式氣泡方程的基礎(chǔ)上，計(jì)入相變耦合效應(yīng)，推導(dǎo)了同時(shí)考慮氣泡脈動(dòng)力、遷移力、環(huán)境耦合力、相變的氣泡動(dòng)力學(xué)方程，被《流體力學(xué)雜志》審稿專家評(píng)價(jià)為“非常穩(wěn)健、易于應(yīng)用”。該方程具有更高的精度和更廣的適用性，可揭示不同條件下氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)流體可壓縮性、相變、脈動(dòng)、遷移等因素影響下的氣泡動(dòng)力學(xué)規(guī)律，為深海勘探、空化等氣泡動(dòng)力學(xué)研究提供理論基礎(chǔ)。11月14日，研究成果《一個(gè)考慮相變和遷移的可壓縮氣泡動(dòng)力學(xué)理論模型》發(fā)表于流體力學(xué)頂級(jí)期刊《流體力學(xué)雜志》（《Journal of Fluid Mechanics》）。
圖1氣泡相變過程
從深海勘探和海底火山噴發(fā)到槍蝦氣泡捕獵，從藥物輸送和超聲治療到氣泡清洗，從沸騰的開水和水中高速航行體到氣泡破冰，氣泡在自然界和生活中廣泛存在，在船舶、海洋、先進(jìn)制造、環(huán)境與化工、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等許多領(lǐng)域有重要價(jià)值。氣泡運(yùn)動(dòng)涉及氣泡脈動(dòng)、遷移、相變、可壓縮性、環(huán)境流場(chǎng)、粘性、表面張力等多物理因素，這些因素均可對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為產(chǎn)生重要影響，從理論上定量分析這些因素的影響是理解、掌握和利用氣泡的關(guān)鍵步驟之一。其中相變效應(yīng)的描述是氣泡動(dòng)力學(xué)中一個(gè)核心而復(fù)雜的問題，流體可壓縮性、相變、遷移等因素可同時(shí)對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生顯著影響，迄今為止，缺乏相應(yīng)的氣泡理論模型來描述這一物理過程。
圖2 近邊界空化氣泡動(dòng)力學(xué)行為
張阿漫教授團(tuán)隊(duì)在前期氣泡理論工作的基礎(chǔ)上，計(jì)入相變?cè)瘩詈闲?yīng)，推導(dǎo)了同時(shí)考慮氣泡脈動(dòng)力、遷移力、環(huán)境耦合力和相變的氣泡方程，該方程具有簡(jiǎn)潔統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式和明確的物理意義，能夠退化到Keller-Miksis、Gilmore、Rayleigh-Plesset等經(jīng)典氣泡方程。
圖3 計(jì)入相變等多物理因素的氣泡動(dòng)力學(xué)方程
方程的左端第一項(xiàng)代表了氣泡脈動(dòng)、遷移和環(huán)境耦合力，第二項(xiàng)為相變?cè)错?xiàng)，右端項(xiàng)為氣泡的體積加速度。通過與不同環(huán)境下的系列氣泡動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，表明該方程具有更高的精度和更廣的適用性，揭示了不同條件下氣泡動(dòng)力學(xué)機(jī)制與規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)相變對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)的影響不僅體現(xiàn)在方程中的相變?cè)错?xiàng)，而且更體現(xiàn)在H項(xiàng)中，不僅顯著影響氣泡坍塌的劇烈程度，而且會(huì)影響流體可壓縮性對(duì)氣泡能量損失的貢獻(xiàn)。
圖4 高壓氣槍陣列深海勘探原理(資料圖)
高壓氣槍陣列是深海勘探不可或缺的關(guān)鍵裝備，大容量的新型低頻高壓氣槍震源國(guó)際上處于起步階段。以計(jì)入相變等多物理因素的氣泡動(dòng)力學(xué)方程為理論基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)的新型低頻氣槍試驗(yàn)獲得了理想的低頻頻譜，在深海探測(cè)新型低頻大容量氣槍震源裝備的自主研發(fā)上取得了新進(jìn)展。該裝備國(guó)產(chǎn)化率100%，低頻可達(dá)2Hz，勘探深度10公里，比傳統(tǒng)氣槍勘探深度提高一倍，反演技術(shù)優(yōu)于國(guó)外，可以進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)深海探測(cè)事業(yè)的發(fā)展。
圖5 深海勘探新型低頻大容量氣槍震源裝備
《流體力學(xué)雜志》，即《Journal of Fluid Mechanics》是英國(guó)劍橋大學(xué)出版社旗下的核心期刊，由著名流體力學(xué)家George K. Batchelor于1956年創(chuàng)辦，是業(yè)界公認(rèn)的流體力學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊。