γ ≈ 7 之扁平氣泡破裂分析與 PIV 流場量測

在第 1.3 小節文獻回顧中所述，在距離參數1<γ ≤3之間，為氣泡破裂過 程中產生逆向噴流的重要參數之一，其位置示意圖，如圖

3-9 所示。而穴蝕

氣泡受壓、破裂產生的流場，因有無固體邊界的影響而有明顯不同。本研究 中進行四種不同邊壁距離之距離參數

R

max

=

d

γ 分別為7、2、3 與 1 的穴蝕氣泡 破裂流場實驗（

R

為氣泡最大半徑；d 為氣泡中心至邊壁距離）。其理由說

明如下：

z γ ≈7為氣泡破裂過程，不碰及固體邊界，因此，不受固體邊界影響；

z γ ≈2為氣泡破裂過程需視震波壓力強度而定，會受固體邊界影響；

z γ ≈3為氣泡破裂過程可受固體邊界影響，視震波壓力強度而定，且 為產生逆向噴流之臨界值；

z γ =1為氣泡破裂過程受固體邊界影響，且為接近固體邊界產生逆向 噴流之臨界值。

試驗時分別採用不同強度壓力波擊破氣泡，且壓力波之寬度大於氣 泡的大小，使氣泡可以被擊破。此外，壓力震波之寬度與扁平管之直徑 一致，產生均勻震波壓縮氣泡，使氣泡變形與破裂。其試驗主要結果說 明如下：

3.3.1 γ ≈7扁平氣泡破裂分析

在此情況下氣泡距離固體邊界甚遠，氣泡破裂時，氣泡表面不會觸 及固體邊界而不受其影響。氣泡受壓變化情形與氣泡破裂過程，如圖

3-10

所示。峰值為102 kPa 的壓力震波由左往右傳入，氣泡受壓後首先變形、

內凹，如第 01 至第 04 行影像所示。氣泡內凹後，累積能量於被壓縮之 氣泡內，且所形成之液體噴流繼續往右推進，突破重疊後的氣泡表面，

產生氣泡第一次破裂，形成二顆小氣泡，如第04 行第二張影像所示。被 分離的氣泡因液體噴流與氣泡右側周邊液體間有急遽的速度變化，各自 向前推進產生K-H 渦流，如第 05 至第 10 行影像所示，為氣泡破裂而形 成K-H 渦流。若擊破氣泡的壓力波較強，則 K-H 渦流分離為數個較小氣 泡，如圖

3-11

第06 至 08 行影像所示。由此系列影像可清楚瞭解在無固 體邊界影響下之扁平穴蝕氣泡受壓力波擊破的變化過程。

圖 3-12 為扁平管內固體邊界受壓力波強度變化歷線，脈衝歷時為

3.75ms，圖上 γ=7 為扁平管內之壓力歷線，圖

3-12 上之 image no.為圖

3-10 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 發生於圖 3-10 之第 05 行第三張影像，發生於氣泡第一次破裂之後，於 產生K-H 渦流期間，隨後壓力逐漸降低至拉張力波強度，隨之第二道反射 波峰形成。而氣泡則於壓力遞減之期間內 K-H 渦流產生，最後使小氣泡 所形成之K-H 渦流發生第二次破裂現象。此外，固體邊界上量測到之壓 力亦隨時間增加而趨於穩定，且氣泡破裂時間約在30 ms 內，因此，後 續之固體邊界上之壓力分佈顯示，均放大在 30ms 內展示。圖 3-13 壓力 震波增強後於扁平管內固體邊界壓力波強度變化歷線，脈衝歷時為 3.25ms，圖上γ ≈7為扁平管內之壓力歷線，image no.為圖

3-11 的影像對

應之壓力量測值。

根據試驗結果顯示，在無固體邊界影響下，扁平氣泡產生液體噴流 現象後，並無往前形成噴流現象，隨即由被分離的兩個小氣泡各自發展 K-H 渦流。

3.3.2 γ ≈7扁平氣泡破裂之PIV 流場量測

於此案例中，壓力震波波長大於氣泡直徑，如圖

3-14 所示，為氣泡

開始受壓變形至氣泡表面相碰之流場。第 01 張影像計算結果為壓力波開 始影響到氣泡表面變形運動，於氣泡左側之速度向量均勻分佈於扁平管 內，並接觸氣泡表面。第02 張影像，為壓力震波逐漸增強，於接觸氣泡 左側表面形成速度減慢情況。隨後壓力震波持續增強，使氣泡表面內凹 形成液體噴流，其速度流場如第03 與 04 張計算結果所示。其中，第 04 張為氣泡表面相互重疊時之速度流場，速度往中央集中，此時於固體邊 界處量測到的壓力差為100kPa，壓力尚未達到最大，隨後氣泡表面重疊，

並向前推進形成K-H 渦流，如圖

3-15 所示。

圖 3-15 為氣泡表面重疊後至產生 K-H 渦流之 PIV 法計算之速度場，

第08 張計算結果為液體噴流突破氣泡表面之速度場，產生氣泡第一次破 裂，於氣泡右側可清楚看出，氣泡表面重疊後所形成之噴流向右側往輻 射方向運動，擠壓原本靜止之液體，隨之開始產生渦流，如第09 張所示。

而在第 08 至 09 張影像計算結果所示，於氣泡左側之流體運動方向呈現 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 中央軸內凹部分出現速度停滯現象，同時被壓縮之氣泡向周邊液體擠 壓，使氣泡左側液體質點成反方向運動。第 10 張影像所示，為兩顆小氣 泡受液體噴流影響產生拉伸現象，氣泡與液體間之剪應力產生作用，加 上不同流相之加速度差異產生流場之K-H 不穩定性，兩顆小氣泡之 K-H 渦流現象逐漸形成，隨後K-H 渦流產生，如第 10 至 12 張影像所示。而 圖3-16 為第 10 張影像之渦度強度分佈。第 12 張影像計算為震波最大壓 力132 kPa。隨後兩各別發展之 K-H 渦流結構產生第二次氣泡破裂，再 撕裂第一次破裂之二個扁平小氣泡，如第13 與 14 張影像所示。

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 端位置與固體邊界三點之質點速度整理，如圖

3-17 與表 3-1

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 1.25 ms）為 加速階段，呈現出遞增之情況，約達到 1.64 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，速度略降，（1.25 至2.0 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 1.4 m/s 之反方向運動（時間：2.0 至 3.25ms），隨後氣泡產生 第二次破裂，其速度大小如表3-1 所示。

於氣泡後端位置之速度變化，由於初期（0 至 2.5 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 0.8 m/s（時間：

2.5 至 3.25ms）。隨之速度遞減，氣泡產生第二次破裂，其速度大小如表 3-1 所示。

於固體邊界前位置之速度變化，由於初期（0 至 2.5 ms）與氣泡後 端位置之情況相似，直至氣泡產生第一次破裂後，質點運動速度逐漸增 加至0.19 m/s，，其速度大小如表 3-1 所示，隨之氣泡第二次破裂，固體 邊界前之質點運動逐漸趨於穩定。

3.4 γ ≈2之扁平氣泡破裂分析與PIV 流場量測

3.4.1 γ ≈2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半徑，氣泡破裂時，其 表面是否觸及固體邊界需由壓力震波強度決定。如圖

3-18 與圖 3-20

所 示，分別為氣泡表面未碰及與碰及固體邊界。圖

3-18

為氣泡表面未碰及 固體邊界即產生破裂，此情況與γ ≈7之扁平穴蝕氣泡情況相似。氣泡由 液體噴流突破氣泡表面產生第一次破裂，如第02 行第三張影像所示，此 時震波最大壓力達141 kPa。再由 K-H 不穩定性流動所產生之 K-H 渦流 與液體間相互擠壓作用產生第二次破裂，如第04 行第四張影像所示。圖

3-19 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，該

圖之image no.為圖

3-18

的影像對應之壓力量測值。

圖 3-20

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 突破氣泡表面產生第一次氣泡破裂，被分離的兩顆小氣泡往前推進產生 拉伸，其中，第02 行第二張影像時震波最大壓力達 186 kPa。而被分離 之兩顆小氣泡在液體噴流與各相流間之 K-H 不穩定性作用下，亦產生 K-H 渦流，同時亦使小氣泡往前拉伸碰至固體邊界，如第 03 至 04 行影 03 行第四張至第

05 行第二張影像所示，隨後氣泡產生第二次破裂，如第 05 行第三張影 像所示。圖

3-21 為扁平管內固體邊界壓力波強度變化歷線，脈衝歷時

3.5ms，該圖之 image no.為圖

3-20

的影像對應之壓力量測值。

在γ ≈2之二維扁平氣泡試驗中，第一次破裂時間約在 3.5 至 4.0 ms 間，而第二次之破裂時間，因受固體邊界干擾，破裂所需時間長於不受 固體邊界干擾之情況。根據試驗結果顯示，在K-H 渦流碰至固體邊界後，

僅於固體邊界上產生向外之噴濺現象；而於逆向噴流方面，則因氣泡之 K-H 渦流在尚未碰至固體邊界時，已產生第一次破裂，因此，兩個小氣 泡運動過程，可能因能量損失而無法於固體邊界上產生逆向噴流。

3.4.2 γ ≈2扁平氣泡破裂之PIV 流場量測

圖 3-22 為 PIV 計算結果，為液體噴流突破氣泡表面至 K-H 渦流形

成之連續速度場，壓力震波波長大於氣泡直徑，使壓力震波所產生之液 體噴流可以突破氣泡表面。第01 張影像為液體噴流穿透氣泡表面後之速 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，並將氣泡拉長，如第 02 至第 06 張影像所 示。

圖 3-24

為第02 張影像之渦度強度分佈。此外，第 06 張影像為震波 最大壓力達到160 kPa，此時氣泡尚未碰至固體邊界，氣泡右側之流體受 到K-H 不穩定性影響，分別往兩側流動，形成 K-H 渦流。

圖 3-23

為K-H 渦流碰及固體邊界之速度場，其第 07 至 09 張影像顯 示，於氣泡右側至固體邊界間原本存在於此空間的液體，因氣泡往前移 動，迫使液體往兩側移動，同時液體亦往速度較慢之區域擠壓，形成迴 流現象，最後導致氣泡第二次破裂，如第10 至 12 張影像所示。

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

3-25 與表 3-2

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 1.5 ms）為加 速階段，呈現出遞增之情況，約達到1.65m/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，速度略降（1.5 至 3.0 ms），隨之氣泡表面被突破而產生第一次破裂，並開始往反方向運動加

端位置與固體邊界之質點速度整理，如圖

3-25 與表 3-2

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 1.5 ms）為加 速階段，呈現出遞增之情況，約達到1.65m/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，速度略降（1.5 至 3.0 ms），隨之氣泡表面被突破而產生第一次破裂，並開始往反方向運動加

在文檔中 單一穴蝕氣泡產生與破裂行為之試驗研究 (頁 45-51)