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水下爆炸气泡脉动与近边界射流特性研究

朱枫  
【摘要】:大量的研究及事实表明,水下爆炸气泡对水中结构的毁伤不可忽视,为此本文基于数值方法对水下爆炸气泡脉动载荷下水中结构的响应及近边界气泡射流特性进行了研究,并使用电火花气泡模拟水下爆炸气泡开展了舰艇附近气泡运动特性模型试验,旨在为水中结构在水下爆炸气泡载荷下的毁伤评估提供参考。 首先,将水下爆炸的冲击波阶段和气泡脉动阶段结合考虑,详细地推导了Geers and Hunter气泡模型,基于此模型计算了自由场中气泡的脉动及其载荷,分析了药量,爆距等因素对气泡脉动压力的影响,同时比较了气泡脉动载荷与冲击波载荷;基于声固耦合法研究水中结构在水下爆炸气泡脉动载荷作用下的响应,给出了方法的适用范围,并验证了有效性;运用此方法研究了水中细长圆柱壳在水下爆炸气泡脉动载荷下的响应,得到了结构频率及气泡频率的变化对水中圆柱壳响应的影响规律。 其次,针对水下爆炸气泡近边界的射流行为,使用基于有限差分法的AUTODYN程序对其进行模拟;分别使用一维球对称求解器和二维轴对称求解器模拟了小药量大水深爆炸气泡及重力场中的气泡两种情况,数值结果与实验值对比表明,求解器可有效性模拟水下爆炸气泡近边界的射流;进而研究了自由面附近及固壁面附近水下爆炸气泡的运动特性,讨论了距离参数对气泡射流形状、最大半径、第一次脉动周期的影响,针对固壁面下的气泡,得到了固壁面对气泡射流速度、射流冲击时间以及压力的影响;此外,还对四周刚固圆板在气泡射流下的响应进行了分析。 最后,推导了电火花气泡和水下爆炸气泡的相似关系,使用电火花气泡代替真实的水下爆炸气泡,按照完全几何相似,制造出一定缩尺比的舰船及潜艇模型,研究舰船及潜艇附近水下爆炸气泡的运动特性,直观获得了气泡与舰艇结构的相互作用。


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