研究方向
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1. 瞬态流固耦合动力学
水下“剧烈化学反应”产生的大尺度气泡，直径可达到10米数量级。气泡运动引起滞后流及脉动压力对舰船造成总体破坏，危及舰船的总纵强度，使舰船在中横剖面处断裂，气泡坍塌形成的射流还将引起结构局部破坏，气泡对舰船的破坏如图1所示。近年来的实验研究表明，气泡载荷对水中结构造成严重损伤，甚至比冲击波更为严重，如图2所示。气泡与水中结构物非线性瞬态耦合作用已成为国际上的研究热点，但仍存在许多物理现象和力学本质尚未揭示。针对水下气泡对舰船破坏中存在的力学难题，首次提出了气泡环形断裂模型，攻克了气泡射流砰击载荷计算难点，为计算完整的气泡载荷提供了理论支撑。相关研究成果发表在Ocean Eng.、Phys. Fluids和力学学报，文章入选前1%ESI高被引论文和期刊高被引论文，得到了国际同行的高度评价。
图2 小当量水下气泡实验（Li et al., 2019, Ocean Engineering）
2. 气泡动力学
气泡动力学不仅在诸多传统领域中有着广泛的应用（例如，气枪震源海底资源探测、水利机械空化、船舶减阻、气泡帷幕抗冲击等），而且在许多新兴产业中发挥着越来越重要的作用（例如，超声波清洗、超声波碎肾结石、声化学、超声造影、靶向治疗等）。本人自攻读博士学位以来，一直从事气泡动力学领域的基础研究，建立了气泡与结构全非线性耦合轴对称数值模型，采用辅助函数法对气泡载荷与悬浮体加速度进行解耦，与前人采用的“松耦合”方法相比，该“全耦合”方法显著提高了计算精度和稳定性，计算结果与实验结果吻合良好，如图 3所示为气泡和球体在自由液面下方耦合作用的实验和数值结果对比。相关研究成果在J. Comput. Phys.，J. Fluids Struct.和Phys. Fluids等期刊上发表，并入选ESI前1%高被引论文。
海洋资源勘探技术对我国“海洋强国”战略具有重要的意义。实际应用中，通常利用小于200 Hz的低频声波对海底结构进行探查，人类最早采用炸药震源产生低频声波，但是由于其高成本和高危险性被高压气枪震源所取代。虽然气枪震源有多种型号，但是其工作原理可概括为：气枪内高度压缩的空气（~ 10 MPa）在较短时间内（~ 10 ms）释放至水中形成高压气泡（最大半径为米级），气泡剧烈脉动过程中在流场中激发宽频压力波，压力波在海底不同媒质分界面处发生反射，通过解析反射波信号即可探查地底资源分布情况，如图 5所示。海底探测的穿透能力、分辨率均与气泡压力波的低频特性密切相关，其背后重要的科学问题就是高压气枪气泡非线性动力学。本人与知名的流体力学专家D. Lohse教授和A. Prosperetti教授密切合作，共同参与了壳牌公司新一代气枪震源装备的研发工作。基于等熵假设推导了高压气体释放速度方程，推导了气泡初生过程的能量方程，采用边界积分法建立了非球状气泡脉动轴对称模型，压力波的计算精度相比前人的理论模型大幅提高，相关成果发表在Int. J. Multiph. Flow。
图7 Small封面论文
水下“剧烈化学反应”产生的大尺度气泡，直径可达到10米数量级。气泡运动引起滞后流及脉动压力对舰船造成总体破坏，危及舰船的总纵强度，使舰船在中横剖面处断裂，气泡坍塌形成的射流还将引起结构局部破坏，气泡对舰船的破坏如图1所示。近年来的实验研究表明，气泡载荷对水中结构造成严重损伤，甚至比冲击波更为严重，如图2所示。气泡与水中结构物非线性瞬态耦合作用已成为国际上的研究热点，但仍存在许多物理现象和力学本质尚未揭示。针对水下气泡对舰船破坏中存在的力学难题，首次提出了气泡环形断裂模型，攻克了气泡射流砰击载荷计算难点，为计算完整的气泡载荷提供了理论支撑。相关研究成果发表在Ocean Eng.、Phys. Fluids和力学学报，文章入选前1%ESI高被引论文和期刊高被引论文，得到了国际同行的高度评价。
图2 小当量水下气泡实验（Li et al., 2019, Ocean Engineering）
气泡动力学不仅在诸多传统领域中有着广泛的应用（例如，气枪震源海底资源探测、水利机械空化、船舶减阻、气泡帷幕抗冲击等），而且在许多新兴产业中发挥着越来越重要的作用（例如，超声波清洗、超声波碎肾结石、声化学、超声造影、靶向治疗等）。本人自攻读博士学位以来，一直从事气泡动力学领域的基础研究，建立了气泡与结构全非线性耦合轴对称数值模型，采用辅助函数法对气泡载荷与悬浮体加速度进行解耦，与前人采用的“松耦合”方法相比，该“全耦合”方法显著提高了计算精度和稳定性，计算结果与实验结果吻合良好，如图 3所示为气泡和球体在自由液面下方耦合作用的实验和数值结果对比。相关研究成果在J. Comput. Phys.，J. Fluids Struct.和Phys. Fluids等期刊上发表，并入选ESI前1%高被引论文。
图3 近自由液面气泡与球体强耦合特性实验和数值对比
图4气泡脉动载荷vs气泡射流砰击载荷对比
3.气枪震源海底资源探测
图4气泡脉动载荷vs气泡射流砰击载荷对比
海洋资源勘探技术对我国“海洋强国”战略具有重要的意义。实际应用中，通常利用小于200 Hz的低频声波对海底结构进行探查，人类最早采用炸药震源产生低频声波，但是由于其高成本和高危险性被高压气枪震源所取代。虽然气枪震源有多种型号，但是其工作原理可概括为：气枪内高度压缩的空气（~ 10 MPa）在较短时间内（~ 10 ms）释放至水中形成高压气泡（最大半径为米级），气泡剧烈脉动过程中在流场中激发宽频压力波，压力波在海底不同媒质分界面处发生反射，通过解析反射波信号即可探查地底资源分布情况，如图 5所示。海底探测的穿透能力、分辨率均与气泡压力波的低频特性密切相关，其背后重要的科学问题就是高压气枪气泡非线性动力学。本人与知名的流体力学专家D. Lohse教授和A. Prosperetti教授密切合作，共同参与了壳牌公司新一代气枪震源装备的研发工作。基于等熵假设推导了高压气体释放速度方程，推导了气泡初生过程的能量方程，采用边界积分法建立了非球状气泡脉动轴对称模型，压力波的计算精度相比前人的理论模型大幅提高，相关成果发表在Int. J. Multiph. Flow。
图5 气枪震源探测海底工作原理及其得到的三维海底结构
4.含沙空化
我国大部分河流含沙量较高，当螺旋桨在含沙流中高速旋转时，或者高速含沙流体冲击水力机械时，空化剥蚀和泥沙磨损是造成水中结构破坏的两个主要原因。实践表明，含沙空化流中的结构破坏程度远大于空蚀与泥沙磨损单独作用之和，其原因与气泡—颗粒物的微观耦合作用密切相关。近年来的实验研究表明，气泡与颗粒物耦合过程中，颗粒物能够被气泡加速至40m/s以上的速度，足以对钢制材料造成严重破坏。因此，气泡对颗粒物的“弹射效应”被普遍认为是加剧结构破坏的内在机理。然而，产生“弹射效应”的力学机理和影响因素仍未完全揭示。通过研究发现，在小尺度比情况下，颗粒物在非常短的时间内被加速到最大速度，然后逐渐减速直到气泡与颗粒物分离，之后分离处的液体被向内吸引并在对称轴上碰撞，在气泡和颗粒物间形成一个局部的高压区，使颗粒物在气泡坍塌阶段再次被加速，即为颗粒物弹射效应的第二个力学机理，如图6所示。相关研究成果已发表在Phys. Fluids期刊，入选期刊高被引论文，并被物理顶级期刊Phys. Rev. Lett.论文引用。对于空泡和沙粒在不同边界条件下的动力学行为仍有许多工作尚未开展。
我国大部分河流含沙量较高，当螺旋桨在含沙流中高速旋转时，或者高速含沙流体冲击水力机械时，空化剥蚀和泥沙磨损是造成水中结构破坏的两个主要原因。实践表明，含沙空化流中的结构破坏程度远大于空蚀与泥沙磨损单独作用之和，其原因与气泡—颗粒物的微观耦合作用密切相关。近年来的实验研究表明，气泡与颗粒物耦合过程中，颗粒物能够被气泡加速至40m/s以上的速度，足以对钢制材料造成严重破坏。因此，气泡对颗粒物的“弹射效应”被普遍认为是加剧结构破坏的内在机理。然而，产生“弹射效应”的力学机理和影响因素仍未完全揭示。通过研究发现，在小尺度比情况下，颗粒物在非常短的时间内被加速到最大速度，然后逐渐减速直到气泡与颗粒物分离，之后分离处的液体被向内吸引并在对称轴上碰撞，在气泡和颗粒物间形成一个局部的高压区，使颗粒物在气泡坍塌阶段再次被加速，即为颗粒物弹射效应的第二个力学机理，如图6所示。相关研究成果已发表在Phys. Fluids期刊，入选期刊高被引论文，并被物理顶级期刊Phys. Rev. Lett.论文引用。对于空泡和沙粒在不同边界条件下的动力学行为仍有许多工作尚未开展。
图6空泡弹射颗粒物实验和数值对比
图7 Small封面论文