水下脉冲流光放电冲击波特性数值分析研究

论文摘要

实现在复杂海洋环境中的信息传输是开发海洋资源的关键环节。而声波作为海洋传播信息的唯一途径,研发合适的水下声源成为这一大课题下的重要子课题。基于水下脉冲流光放电原理制造的等离子体水下声源,在具有声源级高、声源体积小、频响范围宽、电声转换效率高和可编程控制等等离子体声源共性优点的同时,其可控性和可重复性要优于传统的利用电弧放电原理制造的等离子体声源,其在水下通信、测量信道特性、海洋勘探等领域有着更为广泛的应用前景。因此,有必要研究水下脉冲流光放电的声辐射水平、频谱特征等声学特性和其作为声源的聚束特性,为其工程利用提供设计依据。本文通过商用有限元软件ANSYS和动力有限元程序LS-DYNA联合建模,数值模拟了在水下脉冲流光放电过程中,由放电流光丝产生的冲击波的传播与叠加过程;并基于典型的水下声聚束方式,讨论了该冲击波的声聚束特性,总结了其在传播和聚束中的一些规律。本文完成的主要工作如下:（1）详细介绍和比较了水下脉冲流光放电产生冲击波的物理机理和其与一般声波的异同点,介绍和讨论了本章主要使用的数值计算方法,包括运动控制方程、状态方程、计算差分格式等,证明了采用欧拉法控制方程和Mie-Gruneisen水状态方程研究水下冲击波瞬态声场的可行性。（2）建立了计算等离子体单泡冲击波的数值模型,参数化分析了等离子体单泡的设置参数,并结合实验确定了模拟单泡的参数设置;并在此基础上结合光丝跳步的时空参数建立了计算光丝冲击波叠加传播规律的数值模型,数值研究了单根和两根放电流光丝产生的冲击波压力、速度的时频特性。研究发现,脉冲流光放电单冲击波声压级最高可以达到280dB,并且在距放电针尖0-1mm内,显著衰减;脉冲流光放电单冲击波频谱可以达到兆赫兹量级,并且其声压主要分布在低频段内;单根光丝产生的冲击波在垂直于光丝方向上传播较多;两根光丝产生的冲击波最终会在光丝内外法线的方向上先后形成汇聚波,不同的是,光丝夹角越大,在光丝内夹角的方向上的指向性越尖锐。（3）介绍了水下等离子体声源在椭球面反射罩、抛物面反射罩和线阵列三种聚束方式下的聚束原理和应用背景;利用Euler控制方程,结合Mie-Gruneisen状态方程建立了满足放电流光丝冲击波聚束尺寸要求的聚束声场数值模型。数值计算了放电流光丝冲击波在三种聚束方式下的聚束过程;并针对椭球面和抛物面两种典型聚束反射罩,从聚束云图、聚束增益、聚束时延等方面比较了两种反射罩的聚束异同。研究发现,椭球面反射罩聚束可以形成内凹的冲击波面,抛物面反射罩的冲击波波面较为平顺;线阵列聚束的冲击波波阵面内凹,调整时序得到的聚束偏置效果显著,但聚束增益小于正常时序;线阵列聚束增益远小于反射罩聚束;椭球面反射罩的聚束增益在同等条件下总是大于抛物面反射罩;随着直达波的压力增加,两种反射罩的时间延迟都在减少,当直达波压力达到0.6MPa时,冲击波的时间延迟基本不再变化,但抛物面反射罩的时间延迟总是小于椭球面反射罩;椭球罩聚束梯度随着直达波的压力增加而减小,即椭球罩聚束冲击波波阵面从聚束区域到非聚束区域过度变平缓,其梯度非线性变明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 水下电弧放电冲击波研究现状
•     1.2.2 水下流光放电冲击波研究现状
•     1.2.3 水下冲击波数值研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 2 流光放电冲击波特性分析基础
•   2.1 引言
•   2.2 流光放电单泡运动规律
•   2.3 流光放电冲击波变化规律
•   2.4 流光放电冲击波数值仿真方法
•     2.4.1 运动方程
•     2.4.2 水状态方程
•     2.4.3 等离子体状态方程
•     2.4.4 网格运动
•     2.4.5 界面捕捉
•     2.4.6 求解方式
•   2.5 本章小结
• 3 放电流光丝冲击波数值模拟
•   3.1 引言
•   3.2 单泡参数化分析
•     3.2.1 密度及初始内能
•     3.2.2 单泡初始半径
•   3.3 单泡冲击波数值模拟
•   3.4 光丝冲击波数值模拟
•     3.4.1 单根光丝数值模拟
•     3.4.2 两根光丝数值模拟
•   3.5 本章小结
• 4 放电流光丝冲击波聚束数值模拟
•   4.1 引言
•   4.2 冲击波聚束原理
•     4.2.1 椭球面聚束原理
•     4.2.2 抛物面聚束原理
•     4.2.3 线阵列聚束原理
•   4.3 冲击波聚束仿真
•     4.3.1 椭球面聚束仿真
•     4.3.2 抛物面聚束仿真
•     4.3.3 线阵列聚束仿真
•   4.4 冲击波聚束比较
•     4.4.1 冲击波聚束增益
•     4.4.2 冲击波聚束时延
•     4.4.3 冲击波聚束指向性
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 论文工作总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王一如

导师: 黎胜

关键词: 等离子体水下声源,脉冲流光放电,冲击波,时频特性,冲击波聚束

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 大连理工大学

分类号: P733.2

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002143

总页数: 70

文件大小: 3868K

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