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在水下工程等领域，压力波与气泡群的相互作用极为关键。研究人员运用多尺度法模拟两者间的作用，发现压力波衰减主要受气泡群初始气体体积分数影响，该成果对优化水下爆破降噪工程意义重大。
在广袤的海洋世界以及各类工程应用场景中，压力波与气泡群的相互作用无处不在。比如在海洋声学领域，这种相互作用影响着声音在海水中的传播，关系到海洋生物的交流、海洋探测的准确性；在水下爆破和钻井作业时，压力波和气泡群的复杂动态变化不仅产生强烈噪声，还可能对周边环境和设施造成破坏 。然而，想要深入了解这一现象却困难重重。水下压力波在气泡群中的传播涉及多种复杂的流体现象，像不同介质间的波传输、多尺度流动以及气液界面动力学等，这些难题限制了理论和实验研究的进展。在数值研究方面，虽然针对冲击波在单相介质中的模拟已取得不少成果，但模拟大量气泡在压力波作用下的运动，对算法的稳健性和计算成本仍是巨大挑战。传统的模拟方法，如两相均匀介质模型和直接数值模拟方法，都存在各自的缺陷。前者虽计算效率高，却忽略了气泡在群内的空间随机分布，无法预测压力波作用下气泡群的动态行为；后者虽能重现非线性水动力现象，但难以适应小气泡与流场之间的多尺度模拟，计算资源需求极大。在这样的背景下，开展对压力波与气泡群相互作用的深入研究迫在眉睫。
为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了关于 “Study on the attenuation effect of pressure wave by bubble clusters using the compressible multi-scale method” 的研究。研究人员建立了一种可压缩的 Eulerian-Lagrangian 模型，通过该模型来模拟压力波与气泡群的相互作用过程。研究得出结论：压力波在气泡群中传播会出现反射和透射现象，反射使后续压力波减弱并改变传播方向，透射波与气泡群相互作用进一步衰减初始压力波；压力波振幅对衰减影响较小，而气泡数量和大小的增加会提升压力波峰值衰减率，且测量点距爆炸源越远，衰减率越高；压力波衰减主要由气泡群初始气体体积分数决定，受气泡局部特征影响较小。这一研究成果对于优化水下爆破降噪工程具有重要意义，能够为实际工程应用提供理论依据和技术支持，该研究成果发表在《Applied Ocean Research》。
研究人员在开展研究时，用到了以下几个主要关键的技术方法：采用有限体积法和流体体积（VOF）法模拟压力波产生和传播，利用拉格朗日粒子法描述气泡群；通过求解欧拉连续场方程和拉格朗日气泡动力学方程，实现两者的耦合计算；采用 PIMPLE 算法求解控制方程，保证计算的稳定性和准确性；通过与实验数据对比验证模型有效性，实验中利用图像识别方法确定气泡直径和数量等参数。
研究结果具体如下：
- 压力波在气泡群中的传播与衰减机制：压力波未接触气泡群时呈球形波向外传播，接触后在边界反射，反射波与入射波叠加使后续压力波衰减，透射波继续在气泡群中传播。传播过程中，压力波有垂直和平行于气泡群两个主要传播方向，平行方向传播受反射波影响而减弱。同时，压力波使气泡群内气泡产生集体脉动，离爆炸源越远的气泡，与压力波作用时间越晚，且气泡最小塌缩半径逐渐增大。
- 压力波振幅对压力衰减的影响：设置不同初始内部压力的高压气泡，对比不同振幅压力波与气泡群耦合作用过程。发现压力波在气泡群中的反射、传播和透射现象具有一致性，大振幅压力波使气泡群塌缩更强烈，声速增加，影响范围更广。但不同振幅压力波经气泡群衰减后，波形的峰值下降和延迟现象相似，压力波振幅对衰减效果影响有限。
- 气泡数量和直径对压力衰减的影响：分析不同数量气泡的气泡群对压力衰减的影响，结果显示随着气泡数量增加，压力波衰减增强，压力曲线峰值降低且延迟出现，压力波衰减率随测量点与爆炸源距离增加而上升，增长趋势逐渐变缓。研究不同初始半径气泡的气泡群对压力衰减的影响，发现压力衰减率随气泡尺寸增大而增加，且初始气泡尺寸对压力衰减率影响显著，压力波衰减率与气泡群初始气体体积分数密切相关，相似初始气体含量下，压力峰值衰减率相近。
研究结论和讨论部分指出，本研究建立的 Eulerian-Lagrangian 双向耦合模型有效模拟了压力波与气泡群的相互作用，但目前的研究框架尚未充分考虑复杂的气泡动力学，如气泡的非球形振荡、破碎和聚并等，气泡群的多分散性、空间分布等特征对压力波衰减的影响也有待深入研究。尽管如此，该研究成果为理解压力波与气泡群的相互作用提供了重要依据，为水下工程领域的降噪等实际应用奠定了理论基础，未来进一步研究这些未充分考虑的因素，将有助于更深入地揭示压力波在气泡群中的衰减机制，推动相关领域的发展。
