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水中结构物附近爆炸气泡运动特性研究

王诗平  
【摘要】:水中气泡的动态特性一直是很多领域关心的重要基础性问题,气泡应用十分广泛,包括船舶、海洋、医疗等领域。长期以来,人们对水中气泡的运动特性做了大量的研究工作,但由于气泡运动的复杂性,气泡的种种特性研究仍不够充分,有很多未知的机理有待研究人员探索,特别是在船舶与海洋工程领域。水下爆炸气泡载荷会对水中结构物造成严重毁伤,严重时会导致其丧失生命力,因此水下爆炸气泡载荷对水中结构物局部强度的毁伤是首先要解决的问题。因此,本论文从气泡运动的基本现象入手,针对以往不可压缩势流理论中气泡脉动能量不损失的理论缺陷,基于波动方程,提出了考虑流场中可压缩性的边界积分方程,随后分别通过数值和实验的方法研究不同边界条件下气泡的运动特性,最后研究气泡与水中结构物的相互作用,采用基于DAA方法的圆台水柱冲击模型研究了近场射流载荷作用下水下圆柱壳的动态响应。 本论文在绪论部分首先回顾了气泡实验方面的研究和进展,对不同外部源生成气泡生成特点及其优缺点进行阐述,其次对基于解析方法的球形气泡理论和基于数值方法的边界元方法进行了综述,分析了当前方法的最新研究进展,随后综述了基于其他方法的气泡动力学特性研究进展,并在上述基础上提出了一些尚需解决的问题,为本论文后续工作提供了方向。 假设流体的运动为无旋,忽略流体的粘性效应。基于质量守恒方程和动量守恒方程,在是否考虑流场可压缩性条件下进行简化,基于质量守恒方程分别得到Laplace方程和线性波动方程,针对以往基于不可压缩势流理论求解气泡脉动能量不损失的缺陷,本文将波动方程进行时域和频域简化,建立考虑流场可压缩性的边界积分方程,克服了直接求解延迟势方程带来的复杂性和不稳定性,解决了不可压缩流场中气泡脉动能量不耗散的缺陷,将考虑流场可压缩性的数值结果与理论解对比证明了本文数值方法的正确性。当声速c趋于无穷大时,该不可压缩流场气泡脉动数值模型可以退化成不可压缩流场的边界积分方程;基于动量守恒方程可以分别得到不可压缩Bernoulli方程和可压缩Bernoulli方程,为后续章节提供理论基础。除了流场可压缩性会导致气泡脉动能量的损失之外,气泡内外的热量和质量传递、气泡内部化学反应以及气泡坍塌破碎均会导致气泡脉动过程中能量的损失。本论文随后又采用基于非结构化网格的有限元与边界元相结合的方法来探索气泡内部温度场的分布,并在不考虑气泡能量损失原因的情况下认为在气泡到达最小体积时刻气泡脉动能量损失,并对其进行数值模拟。 基于可压缩流场中气泡动力学模型,计算了球状气泡脉动过程中能量的损失,讨论了自由场中非球状气泡的运动,考虑流场可压缩性气泡射流速度比不考虑可压缩性的射流速度低,流场中气泡辐射压力出现了延时性,并且如果气泡射流时刻发生在气泡达到最小体积之后,可压缩性对气泡形态影响较大,反之影响较小;且本文的数值模型可以很容易的拓展到涡环气泡动力学模型,基于本文模型计算了不同边界条件和无量纲参数情况下气泡的动力学特性,并总结了规律。然而水下爆炸过程中主要考虑气泡在第一个周期内的脉动,而在这个过程中流场可压缩性对气泡脉动周期、半径的影响均较小,虽然考虑流场可压缩性后,气泡射流速度会减小,流场中气泡辐射压力也出现了延时性,但是射流速度减小及压力延时效应的效果在工程上可以忽略,但是如果考虑声场中气泡的脉动,则必须考虑流场的可压缩性,因此在文章后续水下爆炸气泡计算中采用不可压缩势流理论进行计算。 在应用数值方法求解各类问题时,计算精度和计算速度一直是备受关注的焦点,本论文在对气泡问题的计算过程中,将Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)积分引入到积分方程的求解中,在保证计算速度的同时提高了边界积分方程的计算精度,并基于该数值方法来计算不同边界附近气泡动力学问题,模拟不同边界附近气泡的运动特性,并将数值结果与实验结果进行了对比,检验了数值方法的有效性,同时也拓展了GLL积分的应用范围。 针对水下爆炸发生在海底或者油-水交界面的情况,可以将海底和油-水交界面考虑成不同流体交界面。本文在总结前人研究成果的基础上,基于不可压缩势流理论建立考虑浮力和表面张力作用下不同边界附近气泡动力学模型,将海底或者油-水交界面考虑成含有弹性且密度不同的两种流体边界,提出了无量纲弹性系数κ和弹性模量E mem来分别表征介质弹性和交界面弹性的大小,并编写了有关程序,针对不同边界附近气泡运动现象进行系统的研究。将计算结果与实验结果进行对比,检验了数值模型的正确性,讨论了蘑菇状气泡生成的原因且对撕裂后气泡运动进行了数值模拟。自由场、自由面和刚性壁面气泡运动模型是本文建立数值模型的一种特殊情况。 随后本文从实验角度出发,通过200V电火花生成气泡,采用高速摄影技术拍摄不同边界条件下气泡的运动特性,实验重点研究了自由面、刚性边界、舷侧附近、舷侧与自由面附近以及海底附近气泡的运动特性,并讨论两个气泡之间的耦合和融合特性,给出了一些判断依据。 当两发水中武器同时爆炸且爆炸生成的气泡较近时,或者气泡群的相互作用时,气泡可能会产生融合现象。针对这一基本现象,应用三维边界元方法研究两个气泡融合成为单个气泡的运动过程,并且提出将两气泡之间流体层的厚度作为融合准则,并将数值结果与Chahine的实验结果进行比较,结果吻合良好。此外讨论了不同无量纲距离和水深对气泡融合特性的影响。 当水下爆炸发生在水中结构物附近时,水下爆炸脉动载荷会对其造成毁伤,尤其是当药包在距离结构较近时爆炸,气泡脉动产生的指向结构表面的高速射流也会对结构造成严重的局部毁伤,首先估计水下爆炸典型药量、典型水深条件下气泡对潜艇产生直接射流的范围,随后采用基于DAA方法的水柱冲击模型对射流冲击进行计算;针对水面舰船,采用镜像方法考虑自由面效应;最后模拟了存在波浪条件下气泡的运动特性,旨在为相关气泡动力学研究提供参考。


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