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水下爆炸气泡及附近结构损伤机理的数值研究

何亮  
【摘要】: 水下爆炸是一个非常复杂的能量转换的物理化学过程,其巨大的破坏力对海军的舰船等水中结构物构成了最严重的威胁。水下爆炸物理过程一般简化为两个过程:(1)冲击波;(2)气泡脉动。以往,人们大都专注于冲击波及其破坏机理的研究工作。近些年的实验和分析表明,水下爆炸气泡脉动过程也会对附近结构物例如水面舰船造成严重损伤。气泡运动问题以及气泡和舰船等结构物的相互作用已成为目前国际上研究的热点。 本论文主要通过数值方法研究水下爆炸气泡的动态特性以及水中结构物在气泡载荷下的动力响应。其基本方法是,基于势流理论采用边界积分法求解拉普拉斯方程,结合对时域的积分求解爆炸气泡的动边界,最终建立起水下爆炸结构物附近三维非对称气泡运动的计算模型。围绕这一计算模型,本文进行的主要工作为: 1、推导了水下爆炸气泡运动的动态方程,采用边界积分方法实现其三维空间的离散和数值计算,解决气泡大变形运动以及环形气泡的数值模拟问题。 2、与参考文献的实验进行对比,验证了计算模型的正确性和稳定性。数值分析了水下气泡运动的规律,总结出射流形成原因。 3、建立无限水域中椭球体附近和水面舰船附近水下爆炸气泡的计算模型,详细分析了两个算例爆炸气泡的动态特性,流场内压强分布,以及水中结构物遭受的气泡载荷。 4、将水面船体看作一根变截面自由梁,阐述船体总体响应的基本理论。求解水面船体在爆炸气泡载荷下的动力响应。 本论文的所有研究工作旨在为工程领域水下爆炸气泡运动规律探索以及水中结构物的破坏机理研究提供参考。 本论文的研究工作得到了国家自然科学基金(编号50579004)的资助,在此表示感谢。


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