γ ≈ 3 之扁平氣泡破裂分析與 PIV 流場量測

3.5.1 γ ≈3扁平氣泡破裂分析

此情況之氣泡表面距離固體邊界約一倍氣泡直徑，氣泡於破裂時，

氣泡表面是否觸及固體邊界需由壓力震波強度決定，如圖

3-26

與圖

3-28

所示，

圖 3-26

為氣泡表面未碰及固體邊界即破裂，此情況與γ ≈7之情況 相似。氣泡由液體噴流突破氣泡表面產生第一次破裂，如第02 行第二張 影像所示，此時震波最大壓力達 172 kPa。並由各相流間之 K-H 不穩定 K-H 渦流，最後氣泡拉伸作用與流體間之 K-H 渦流相互影響產生

第二次破裂，如第 04 行第二張影像所示。圖

3-27 為扁平管內固體邊界

受壓力波強度變化歷線，脈衝歷時 3.5ms，圖中之 image no.為圖

3-26

的 影像對應之壓力量測值。

圖 3-28 為在震波壓力增強後，氣泡表面碰及固體邊界之情況，氣泡

受壓後首先變形、內凹，如第 01 行影像所示。第 02 行影像為液體噴流 突破氣泡重疊表面，產生氣泡第一次破裂，並往前推進拉伸產生K-H 渦 流，其中，第02 行第二張影像時震波最大壓力達 275 kPa。而被分離之 各小氣泡在液體噴流與各相流間之K-H 不穩定性作用下，除了產生 K-H 渦流外，同時亦使小氣泡往前拉伸碰至固體邊界，如第 03 至 04 行影像 所示。氣泡碰至固體邊界後，由於氣泡表面張力拉伸的作用下，氣泡往 固體邊界推進，於渦流前端產生噴濺，並使氣泡扭曲破裂成數個小氣泡。

圖 3-29 為扁平管內固體邊界壓力波強度變化歷線，脈衝歷時 3.0ms，該

圖之image no.為圖

3-28

影像對應之壓力量測值。

根據試驗結果顯示，在距離參數γ ≈3之條件下與γ ≈2之情況相似，

而以較高之壓力震波進行試驗時，同樣於氣泡表面重疊後，氣泡產生第 一次破裂，破裂後亦可產生K-H 渦流，並可於固體邊界附近產生噴濺現 象，但無法於固體邊界上產生逆向噴流現象。

3.5.2 γ ≈3之扁平氣泡破裂之 PIV 流場量測

圖 3-30 為 PIV 計算結果之氣泡表面重疊後突破表面至 K-H 渦流形

成之連續速度場，壓力震波的波長大於氣泡直徑，使氣泡表面重疊後向 前推進形成K-H 渦流。第 01 至 02 張影像所示，於氣泡左側之流體呈現 相反方向運動。探究其原因為壓力震波使氣泡內凹產生液體噴流，同時 亦累積能量於氣泡內，於此情況下，可使氣泡體積達到最小，隨後氣泡 內凹（中間）部分出現速度停滯現象，開始向氣泡周邊擠壓，使氣泡左

側成反方向運動。第 01 張影像為 K-H 渦流初形成之速度場，於氣泡右 側可清楚看出，氣泡表面重疊後所形成之K-H 渦流在右側往輻射方向運 動，擠壓原本靜止之液體，使不同相流因加速度差異產生流場之K-H 不 穩定性流動，隨之開始產生 K-H 渦流，並將氣泡拉長，如第 02 至第 06 張影像所示。而圖

3-32

為第06 張影像之渦度強度分佈。此外，第 05 張 影像為震波最大壓力達到170 kPa，隨後於固體邊界上之壓力量測值開始 遞減。而被分離的兩顆小氣泡右側之流體，受到噴流結構往輻射方向前 進，分別擠壓流體往兩側流動，導致K-H 渦流逐漸發展完成，最後導致 氣泡再次破裂成數顆更小氣泡，如圖

3-31

所示，為氣泡第二次破裂之流 場，在固體邊界上量測到之壓力成遞減情況。

根據 PIV 試驗結果顯示，將氣泡表面受壓力震波前端位置、氣泡後 端位置與固體邊界之質點速度整理，如圖

3-33

與表

3-3

所示，其中，定 點量測氣泡表面前端之質點速度在氣泡受壓的初期（0 至 1.75 ms）為加 速階段，呈現出遞增之情況，約達到1.6 m/s，於此段時間內，氣泡受壓 變形形成液體噴流，緊接著氣泡表面接近與重疊，質點速度降低（1.75 至2.5 ms），隨之氣泡表面被突破產生第一次破裂，開始往反方向運動加 速，達到0.83 m/s 之反方向運動（時間：2.5 至 3.0 ms），其速度大小如 表 3-3 所示，隨後氣泡產生第二次破裂，氣泡前端之質點運動後續亦逐 漸趨於穩定。

於氣泡後端位置之速度變化，由於初期（0 至 1.75 ms）受到氣泡變 形與氣泡表面張力之影響，使氣泡後端之初期速度變化不大，直至氣泡 被突破產生第一次破裂後，氣泡後端之速度逐漸增加至0.23 m/s（時間：

1.75 至 2.25ms）。隨之速度遞減，氣泡產生第二次破裂，其速度大小如 表3-3 所示，後續氣泡後端之質點運動逐漸趨於穩定。

於固體邊界前之速度變化，由於初期（0 至 1.75 ms）與氣泡後端位

0.13 m/s，隨之氣泡第二次破裂，其速度大小如表 3-3 所示，而固體邊界 前之質點運動漸趨穩定。

3.6 γ ≈1 之扁平氣泡破裂分析與 PIV 流場量測

3.6.1 γ ≈1扁平氣泡破裂分析

扁平氣泡於上述三種距離參數之情況下，均無逆向噴流現象出現，

而產生逆向噴流的另一個臨界值為γ ≈1時。為能瞭解此臨界狀況的流場 特性，本研究中進行γ 稍大於 1 與γ =1（穴蝕氣泡表面緊貼固體邊界）

兩種位置的氣泡破裂流場量測，分別說明如下：

1. 氣泡在γ 稍大於 1 的位置，穴蝕氣泡的表面與固體邊界間仍有少許液 體存在。氣泡受壓、內凹時，因受固體邊界影響，如圖

3-34 第 01 至

02 行所示；液體噴流突破氣泡的表面後，雖沒有足夠空間形成完整的 K-H 渦流，但氣泡表面與固體邊界間的間隙讓液體噴流於觸及固體邊 界後，向兩側產生噴濺現象。圖

3-35 為

γ ≈1圓柱管內固體邊界受壓 力波強度變化歷線，脈衝歷時3.5ms，image no.為圖 3-31 的影像對應 之壓力量測值，經由影像比對，氣泡受壓變形達最大時(第 02 行第二 張影像)，隨後壓力呈現遞減情況，氣泡則於壓力遞減期間內，發展 噴濺現象。

2. 若氣泡緊貼固體界面，則氣泡受壓、內凹變形至左、右兩側的表面重 疊於固體邊界上，與固體邊界間沒有間隙，液體噴流於撞擊固體邊界 後，只能往輻射方向擴散，造成穴蝕氣泡往輻射方向產生噴濺，如圖

3-36 系列影像所示。最後氣泡產生扭曲現象使氣泡碎裂成多顆小氣

泡。圖

3-37 為

γ =1圓柱管內固體邊界受壓力波強度變化歷線，脈衝 歷時2.5ms， 該圖 image no.為圖

3-36

的影像對應之壓力量測值，經 由影像比對，氣泡受壓變形達最大時(第 02 行第一張影像)，氣泡體積

被壓縮至最小，隨後壓力呈現遞減情況，氣泡則於壓力遞減期間內，

僅產生噴濺現象，無逆向噴流之產生。

扁平氣泡貼近固體邊界情況下之破裂過程，如圖

3-38 之示意圖所

示，說明如下：

z 第一張小圖為氣泡表面緊貼於固體邊界。

z 第二張小圖為氣泡受壓力震波產生內凹，產生液體噴流，並累 積能量於氣泡內。

z 第三張小圖為氣泡表面重疊。

z 第四張小圖為當壓力震波強度大於氣泡表面張力強度時，因氣 泡與固體邊界無空間可以發展噴流與K-H 渦流，而於固體邊界 上產生第一次氣泡破裂。

z 第五張小圖為氣泡破裂後於固體邊界附近氣泡向兩旁產生噴濺 現象，使原本累積於氣泡內凹後之能量得以釋放，加上壓力震 波之強度，最後可能導致小氣泡第二次產生破裂，甚至產生更 多次之氣泡破裂現象。

根據試驗結果顯示，在距離參數γ ≈1氣泡表面重疊後碰及固體 邊界，液體噴流碰及固體邊界後，隨即產生第一次破裂，破裂後之小 氣泡向兩旁產生噴濺現象，最後亦無法於固體邊界附近上產生逆向噴 流現象。

3.6.2 γ ≈1之扁平氣泡破裂之PIV 流場量測

1. 氣泡在γ 稍大於 1 之 PIV 計算結果，如圖

3-39

所示，為氣泡表面 重疊後突破表面碰至固體邊界之連續速度場。其中，第01 張影像 計算結果所示，速度向量向氣泡中心軸集中，累積能量於氣泡內，

第02 張影像為碰至固體邊界後，液體噴流反彈使流場往反方向移

動，與噴濺擠壓固體邊界，使氣泡左側之流體呈現相反方向運動。

緊接著被壓縮過後的氣泡，開始釋放能量，使原本被分離的兩顆 小氣泡，開始往中央軸方向與氣泡左側方向移動，如第 03 至 10 張影像所示，但未產生逆向噴流。

2. 氣泡在γ 等於 1 之 PIV 計算結果，如圖

3-40 所示，為氣泡表面重

疊後，液體噴流直接衝擊固體邊界之連續速度場。其結果與氣泡 在γ 稍大於 1 者相似，亦未產生逆向噴流。

根據γ 稍大於 1 之 PIV 試驗結果顯示，將氣泡表面受壓力震波前端 位置與後端位置之質點速度整理，如圖

3-41 與表 3-4

所示，其中，定點 量測氣泡表面前端之質點速度在氣泡受壓的初期（0 至 2.0 ms）質點為 加速階段，呈現出遞增之情況，約達到 1.02 m/s，於此段時間內，氣泡 受壓變形形成液體噴流，緊接著氣泡表面接近與重疊，質點速度降低（2.0 至2.75 ms），隨之氣泡表面被突破產生第一次破裂，並開始往反方向運 動加速，達到0.82 m/s 反方向運動；隨後氣泡產生第二次破裂，其速度 大小如表3-4 所示。而於氣泡後端位置之速度變化，由於初期（0 至 2.0 ms）

受到氣泡變形與氣泡表面張力之影響，使氣泡後端初期速度變化不大，

直至氣泡被突破產生第一次破裂後，氣泡後端之速度逐漸增加至0.31 m/s

（時間：2.0 至 2.5ms）。隨之速度遞減，氣泡產生第二次破裂，其速度 大小如表3-4 所示，而氣泡後端之質點運動逐漸趨於穩定。

根據γ 等於 1 之 PIV 試驗結果顯示，將氣泡表面受壓力震波前端位 置與後端位置之質點速度整理，如圖

3-42 與表 3-5

所示，其中，定點 量測氣泡表面前端之質點速度在氣泡受壓的初期（0 至 1.75ms）質點為 加速階段，呈現出遞增之情況，約達到1.6 m/s，於此段時間內，氣泡 受壓變形形成液體噴流，緊接著氣泡表面接近與重疊，質點速度降低

（1.75 至 2.75 ms），隨之氣泡表面被突破產生第一次破裂，並開始往反 方向運動加速，達到 0.98 m/s 之反方向運動；隨後氣泡產生第二次破

裂，其速度大小如表3-5 所示。而於氣泡後端位置之速度變化，由於初 期（0 至 2.0 ms）受到氣泡變形與氣泡表面張力之影響，使氣泡後端初 期速度變化不大，直至氣泡被突破產生第一次破裂後，氣泡後端之速 度逐漸增加至1.45 m/s（時間：2.0 至 2.5ms）。隨之速度遞減，氣泡產 生第二次破裂，其速度大小如表3-5 所示，隨後氣泡後端之質點運動漸 趨穩定。

在文檔中 單一穴蝕氣泡產生與破裂行為之試驗研究 (頁 51-58)