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水下爆炸气泡三维动态特性研究

张阿漫  
【摘要】: 水下爆炸是舰艇生命力的主要威胁之一,其载荷特性十分复杂,包括冲击波载荷、爆轰物产生的气泡脉动载荷、气泡脉动诱发的滞后流载荷、以及气泡坍塌所产生的射流载荷等。通常,冲击波载荷具有高频特征,对舰船结构产生局部破坏;而气泡运动引起的脉动压力、滞后流载荷呈现低频特征,对舰船造成总体破坏,危及舰船的总纵强度,造成舰船在中横剖面处断裂;且气泡坍塌形成的高速射流还将引起舰船结构的局部毁伤。因此,水下爆炸气泡载荷对船体结构的破坏作用不可忽视,但在以往的研究中,人们把更多的注意力集中在水下爆炸冲击波载荷的研究与分析上,对气泡运动所产生的种种载荷特性关注不多。近年来,海上实船爆炸和水池模型实验研究表明,水下爆炸气泡载荷对水中结构造成严重损伤。目前,气泡与自由面、水中结构等相互作用已成为国际上的研究热点,如中国船舶科学研究中心和新加坡高性能计算研究所等国内外研究机构均在研究水下爆炸气泡动态特性,但他们在做了大量的实验研究和部分数值研究之后,认为气泡与自由面、水中结构等相互作用仍存在许多现象和本质没有被揭示。 为此,本文从理论分析、实验研究、数值模拟等方面综述了国内外关于气泡动力学特性的研究进展,通过综述发现:在以往的研究工作中,对形成射流后的回弹气泡研究不多;关于各种特征参数的变化对气泡运动规律影响的研究尚很缺乏;有关射流方向的可控性研究较少;对两个或多个气泡相互作用的特殊现象认识不够深入;关于气泡运动引起的滞后流、脉动压力以及射流等载荷对水中结构的毁伤研究公开发表的文献甚少;计及结构的弹塑性,并考虑自由面时气泡与弹塑性结构相互耦合作用的研究也十分罕见。本文将针对上述问题,采用边界元法与有限元法耦合研究水下爆炸气泡的动态特性及其对水中结构的毁伤机理。 假设水下爆炸气泡围流场为理想流体,基于势流理论分别建立了轴对称及三维气泡动力学数值模型,包括线性单元和高阶曲面单元,采用边界积分法求解得到气泡及其它边界的变形和位置。在计算奇异积分时,比较分析了多种不同方法的计算效率和精度,提出了高精度的气泡动力学数值模拟方法。气泡动态特性数值模拟大致分为两个主要阶段,即射流冲击前(单连通气泡)和射流冲击后(双连通气泡或称为环状气泡)。在该研究领域内,关于单连通域气泡的数值模拟方法较为统一,而关于射流冲击后的环状气泡阶段的研究尚不成熟,存在争议。本文在总结前人研究成果的基础上,分别建立了轴对称涡面模型、涡环模型以及三维涡环模型。总结分析了不同模型的优缺点及其适用范围,详细推导建立了三维环状气泡模型,并分析了其中的关键问题。在气泡运动数值模拟过程中引入数值光顺及弹性网格技术,避免了因网格扭曲而导致的数值发散。最终自主开发全套可视化轴对称及三维气泡动态特性模拟程序,该程序可用于模拟各种情况下气泡的动态特性。 本文分析了不同模型、不同单元类型、网格以及时间步等因素对计算结果的影响,验证了本文数值方法的稳定性;通过与R-P模型、实验数据及实验现象对比分析,验证了本文数值模型及计算方法的有效性。基于此,研究了气泡在重力场中的运动特征,得出了气泡运动引起的滞后流速度及压力随时间的变化趋势,得到了射流在气泡坍塌阶段形成、滞后流的方向随着气泡的膨胀和坍塌逆转等有益的结论。为使研究工作具有普遍意义,本文提出并定义了浮力参数δ、强度参数ε、距离参数γf等特征参数,深入研究了特征参数的变化对气泡周期、射流以及回弹现象的影响,给出了气泡的运动形态与特征参数之间的关系。研究表明,小药量的药包爆炸产生的射流影响区域窄,但射流速度高,射流速度可达数百米每秒,可能对舰船结构造成严重的局部毁伤;而大装药量药包爆炸形成的射流速度低,但射流影响区域很宽,对舰船结构造成总体破坏。水下爆炸气泡射流的这些特征可指导未来武器的攻击方式。 基于本文定义的特征参数γf,δ,ε,系统地研究了近自由面气泡的动态特性,不仅描述了水冢现象的产生机理,还探索了水冢现象与特征参数之间的关系。研究发现,通过改变特征参数,气泡在自由面的Bjerknes力和浮力的共同作用下,可能形成向上或向下的射流,即射流方向的可控性,这对研究新型武器具有参考意义。同时还揭示了近自由面多气泡特别是异相气泡之间的强烈抑制效应以及气泡被拽入水冢内部等特殊的自然现象,这对研究气泡与水冢现象相互作用的机理有重要的学术意义。在研究工作中发现基于开尔文冲量理论的Blake准则在一定的条件下失效,该准则客观存在一定的适用范围,深入研究后解释了Blake准则失效的原因。 近壁面气泡的动态行为十分复杂,本文从讨论经典的Blake准则的适用范围入手,系统地研究了气泡与壁面的相互作用。研究表明,Blake准则对于远离壁面气泡射流的预测是基本准确的,但对于近壁面气泡的射流预测,Blake准则存在很大的误差,Blake准则失效的原因归结为它的简化及假设。深入研究可知,非水平壁面附近气泡坍塌均形成偏射流,射流的角度和宽度均与描述气泡的特征参数γf、δ、ε密切相关。水平壁面附近气泡坍塌均形成正射流,如果壁面的Bjerknes力与浮力同方向时,则形成垂直指向壁面的射流;如果Bjerknes力与浮力反方向时,气泡射流的方向则存在一个判据。这些特殊的现象对今后研究气泡与边界的耦合作用提供了有力的支撑。 计及水中结构的弹塑性,将边界元法与有限元法耦合,提出了气泡、弹塑性结构以及自由面三者之间耦合动力学计算方法,并自主开发了全套三维计算程序,其计算值与实验值之间的误差在10%以内。通过计算发现,气泡载荷具有不对称性;同时给出了滞后流载荷的衰减及变化规律。应用本文开发的程序,对平板、圆柱筒以及水面舰船等水中结构进行分析,计算了滞后流、脉动压力以及射流等载荷对结构的毁伤,计算结果表明,气泡运动引起的滞后流及脉动压力对水中结构造成总体破坏,而气泡坍塌形成的高速射流对水中结构产生严重的局部毁伤。研究结论有益于舰船结构抗冲击与防护设计,也为气泡载荷作用下舰船结构毁伤机理研究提供了参考依据。


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