稳定大气条件下爆炸烟云的数值模拟研究

为了研究爆炸及燃烧产生的"蘑菇"状烟云,采用中尺度气象模式RAMS(regional atmosphericmodeling system)模拟研究了冲击波过后的爆炸烟云运动过程.流场和涡度场结果显示,对于稳定层结大气条件,爆炸烟云在浮力作用下会形成浮力涡环结构;烟云在到达最大高度以后,形成了环套环的多涡结构.通过模拟不同爆炸当量和不同大气稳定度的烟云上升最大高度,得到了与目前常用的爆炸烟云上升公式一致的形式.     

爆炸烟云扩散的时空分布模型及特性

针对爆炸烟云扩散的时空分布问题，在严格限定实验条件的前提下，设计并开展了不同当量、不同地面条件、不同炸药装置壳体厚度的3组TNT爆炸烟云扩散外场实验，获得了不同实验条件下烟云扩散时空分布数据，运用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)对爆炸烟云的扩散过程进行了数值模拟。通过分析实验和数值模拟获取的烟云时空分布数据，得到了烟云扩散形态演变过程及浮力流场信息，确定了厚水泥地面条件和硬质地面条件下不同的爆炸烟云扩散高度分布模型。研究结果表明:采用实验与数值模拟相结合的方法来表征烟云时空分布模型是科学可行的，爆炸烟云高度随时间呈1/2次幂函数增长，烟云宽度短时间内几乎呈线性扩展，烟云温度随时间呈反比例函数衰减，爆轰地面条件和炸药装置壳体厚度对烟云扩散高度均有不同程度的影响。     

爆炸烟云中粒子运动的数值模拟

以10 kg TNT爆炸装置在开阔无风地带爆炸为背景,使用Autodyn计算得到爆炸后1 ms时的爆轰产物状态,为爆炸烟云中粒子运动的数值模拟研究提供了可靠的源项几何模型和物理参数;而后使用GAMBIT建立了双层源项模型;最后将模型网格导入Fluent软件,建立离散粒子模型,计算得出了1、10、50、100 m粒径的粒子运动轨迹,系统分析了烟云在上升过程中各粒径粒子的分布和运动趋势,给出了不同高度的粒子浓度,为源项分析提供了理论基础。     

不同风场下TNT炸药爆炸烟云的扩散模型及特性

为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型，本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理，开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验，建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型，分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示:CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致，大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系，最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型；水平风会加快烟云与空气混合的速度，导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律，风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。     

三个共轴涡环运动混沌特性的研究

本言语利用离散涡环方法对三个共轴涡环运动进行了数值模拟，在此基础上，采用非线性动力学中混沌特征量的计算方法，得到了涡环呈规则运动和混沌运动的结论。结果表明，三个共轴涡环在运动时，总是会产主规划与混沌的现象。而这些现象的产生取决于三个涡环的初一文析得出对于利用共轴涡环模拟轴对称射流场涡结构的演变具有重要的参考价值。     

巷道支护对瓦斯爆炸火焰传播速度影响的实验研究

通过对实验室中几何尺寸为80×80mm钢制管道内部加装高度分别为4mm、8mm、12mm、16mm的四种螺旋环,模拟巷道支护结构对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响。采用高精度动态数据采集分析系统,测量爆炸过程中的火焰传播速度,研究了不同高度的螺旋环对火焰传播速度的影响。结果表明：在螺旋环其他条件相同的情况下,管内瓦斯爆炸火焰传播速度随螺旋环高度、圈数增加而增加。并从理论上进行了分析,其主要原因为螺旋环高度越大、圈数越多,产生湍流度的程度亦愈大,对瓦斯爆炸火焰加速亦愈明显。试验结果对巷道支护的选择有指导意义。     

激波诱导环形SF6气柱演化的机理

基于可压缩多组分Navier-Stokes控制方程,结合5阶加权本质无振荡格式以及网格自适应加密技术和level-set方法,数值模拟了平面激波(Ma=1.23)与环形SF₆气柱(内外半径分别为8和17.5 mm)界面的相互作用过程。相比于之前的实验结果,数值模拟结果揭示了入射激波在界面内4次透射过程中的复杂波系结构,观察到透射激波在内部界面传播时形成自由前导折射结构并向自由前导冯诺依曼折射结构转换的波系演变过程;另外,界面内的复杂激波结构诱导内部下游界面上的涡量发生了3次反向;在界面演化后期,内部界面形成的“射流”结构与下游界面相互作用,诱导界面形成一对主涡、一对次级涡以及一个反向“射流”结构。定量分析了环形界面长度、宽度、位移、环量以及混合率的变化情况,结果表明,内部气柱的存在减弱了前期小涡结构合并形成大涡结构过程中对界面高度与长度的影响,同时提高了重质气体与环境气体的混合率。     

三维气泡与刚性壁面的相互作用研究

基于势流理论建立水下爆炸气泡运动三维模型,采用边界积分法求解拉普拉斯方程,得到气泡的变形及位置,并在计算过程中引入弹性网格技术,避免了因网格扭曲而导致的数值发散,进而模拟了刚性壁面附近三维气泡的动态特性。在数值模拟过程中,将本文计算值与实验数据进行对比分析,结果表明,计算值与实验数据吻合良好。在此基础上,分别模拟了弱浮力、强Bjerknes力,强浮力、弱Bjerknes力以及浮力与Bjerknes力相当时壁面附近气泡的运动特征,并将各种工况的计算结果与基于开尔文冲量理论(Kelvin Impulse)的Blake准则进行对比分析与讨论,得到了不同参数下气泡的运动特征。     

连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟

采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟,并将大涡模拟计算结果和RNG k-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析,验证了大涡模拟的精确性。结果表明:（1）大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNG k-ε湍流模型精确度更高,且能表现出更多流场的精细化结构;（2）障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域,导致火焰产生褶皱弯曲变形,增大火焰面积,加速火焰传播;（3）爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切,具有显著的耦合性,且随时间的变化趋势存在高度的一致性。     

超声速平面混合层小激波的形成与演变

为了揭示超声速混合层中小激波形成机理及其与涡相互作用的演变过程,本文基于大涡模拟（LES）方法,结合五阶精度混合TCD／WENO格式,对超声速平面混合层在对流马赫数为Mc=0．65条件下的流场结构进行了数值模拟,数值结果详细描述了超声速混合层中小激波的形成过程。研究了小激波形成后,随涡运动而产生的变形、脱落及发展过程。同时,对混合层双涡合并过程中,小激波与相邻涡相互作用所产生的变形与演变过程进行了讨论。     

空间折叠薄膜管的充气展开动力学实验研究

空间折叠薄膜管是空间充气展开结构的基本支撑部件, Z形折叠是充气展开管的基本折叠方式之一. 针对空间微重力环境, 建立了折叠薄膜管的充气展开实验系统, 采用气浮导轨, 解决了地面重力对充气展开过程的影响; 采用非接触式的光电测量方式, 有效地避免了接触式传感器对充气展开过程的干扰. 针对V形折叠薄膜管, 研究了不同的充气流量、薄膜管尺寸效应以及展开端有无有效载荷对充气展开动力学特性的影响; 通过实验研究, 选择充气流量、管子直径和载荷质量为主定参量, 对充气展开过程进行量纲分析和实验误差分析, 结果表明, 折叠薄膜管的充气展开最大速度与充气的体积流量成正比, 与管直径的立方成反比.      

空间充气管展开动力学研究进展

最近空间充气展开结构引起了人们的广泛关注, 这是因为空间充气展开结构具有折叠体积小, 重量轻和展开可靠性高等优点, 于是一些空间计划也开始考虑利用充气展开结构的优势.然而, 在空间充气展开结构应用到太空之前还有一些重要的问题需解决, 其中之一就是控制和掌握充气展开结构的充气展开动力学特性.充气管用于驱动展开并支撑空间结构是一种重要的构件. 围绕充气管在展开过程中的动力学问题, 详细地综述了近20年来国际上的研究进展情况. 首先讨论了有关的充气展开模型, 包括非线性铰链模型、卷曲折叠管展开模型、控制体积模型、能量法模型和流-固耦合模型等.然后介绍了有限元模拟研究进展, 并分别评述了$Z$形、卷曲、多边形以及变直径伸缩等折叠管的充气展开实验研究. 文章最后指出了充气管的充气展开的理论、有限元模拟以及实验在今后值得关注的研究方向.     

热超弹性圆筒的不稳定性

应用有限变形弹性理论分析了受内压和轴向拉伸作用的不可压热超弹性圆筒发生非均 匀变形的不稳定性问题. 受内压和轴向拉力作用的薄壁圆筒，当内压较小时，圆筒发生稳定 的均匀膨胀变形；当内压大于某一临界值时，圆筒产生复杂的非均匀变形，其一部分膨胀变 形很大，形如``灯泡'状，而另一部分仅仅是轻微膨胀，且此时的变形是不稳定的. 但对厚 壁圆筒而言，不论压力如何，总是发生稳定的均匀膨胀变形. 根据圆筒的变形曲线，给出了 圆筒可以发生不稳定变形的临界厚度. 同时，讨论了轴向拉伸和温度场对圆筒变形的影响.     

Stability analysis of radial inflation of incompressible composite rubber tubes

The inflation mechanism is examined for a composite cylindrical tube composed of two incompressible rubber materials, and the inner surface of the tube is subjected to a suddenly applied radial pressure. The mathematical model of the problem is formulated, and the corresponding governing equation is reduced to a second-order ordinary differential equation by means of the incompressible condition of the material, the boundary conditions, and the continuity conditions of the radial displacement and the radial stress of the cylindrical tube. Moreover, the first integral of the equation is obtained. The qualitative analyses of static inflation and dynamic inflation of the tube are presented. Particularly, the effects of material parameters, structure parameters, and the radial pressure on radial inflation and nonlinearly periodic oscillation of the tube are discussed by combining numerical examples.     

空间充气展开结构动态分析研究进展

空间充气展开结构是一种以薄膜材料为主构建而成的新型结构, 可用于构建大型的天线、太阳能集中器、太阳帆等空间结构, 为空间结构的大型化提供了一条有效的解决途径.其动态特性是充气展开结构设计过程中必须考虑的问题, 动态分析测试技术一直是充气展开结构研究过程中的关键问题, 由于充气展开结构在材料、结构形式及工作环境等方面的特殊性, 使得其动态分析和测试技术出现了很多新的问题.目前充气展开结构动态分析的研究方法主要集中在两个方面:实验研究和数值模拟.实验研究主要是针对充气薄膜结构的特点, 由接触式的测试手段向非接触式的测试手段发展, 但实验研究在真空和微重力环境的模拟上面临着很大的问题.数值模拟研究可以有效的模拟结构在真空和微重力环境下的动态行为, 并可分析重力、空气和褶皱等因素对结构振动特性的耦合影响.本文综述了空间充气展开结构动态分析的实验研究和数值研究的发展和现状, 并讨论了其中存在的问题, 在此基础上指出了该项研究的发展趋势.      

Numerical simulations for gas-structure interaction in inflated deployment of folded membrane boom

It is very important for gas-structure interaction between compressible ideal gas and elastic structure of space folded membrane booms during the inflatable deployment. In order to study this gas-structure interaction problem, Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) finite element method was employed. Gas-structure interaction equation was built based on equilibrium integration relationship, and solved by operator split method. In addition, numerical analysis of V-shape folded membrane booms inflated by gas was given, the variation of inner pressure as well as deployment velocities of inflatable boom at different stage were simulated. Moreover, these results are consistent with the experiment of the same boom, which shows that both ALE method and operator split method are feasible and reliable methods to study gas-structure interaction problem.     

空间充气薄膜结构的褶皱分析

引入一个表征褶皱在纹理方向收缩特性的参数``收缩系数'来替代泊松比参与计算褶皱形变,并联合褶皱产生时的应力条件和褶皱特性,实现了对空间充气薄膜结构的褶皱分析,得到了褶皱存在时的充气薄膜结构的应力场和变形. 分析中重点讨论了``收缩系数'与泊松比的关系,并讨论了引入``收缩系数'约束变形后的变形协调条件. 将两维的褶皱分析方法拓展应用到三维充气结构的褶皱分析中,分析了充气管的弯皱变形,得到了临界皱曲和极限弯矩随结构及力学参数的变化规律. 通过简单的褶皱试验,定性地分析了褶皱的形变特性并与分析结果进行了比较验证,结果一致.      

Dynamic analysis of a rigid-flexible inflatable space structure coupled with control moment gyroscopes

The vibration generated by the inflatable structure after deployment has a great impact on the performance of the payloads. In this paper, the influence of the control moment gyroscopes (CMGs) on the dynamic responses and characteristics of an inflatable space structure is studied, based on the flexible multibody dynamics in a combination of the absolute nodal coordinate formulation (ANCF) and the natural coordinate formulation (NCF). Firstly, the ANCF and NCF are used to accurately describe the large deformations and large overall motions of flexible inflatable tubes and rigid satellites, respectively. Then, instead of modeling gyroscopic flexible bodies, this paper pioneers a rigid body dynamic model of the CMG in detail by using the NCF modeling scheme, which can be attached to and coupled with any flexible bodies without any assumptions. Then, the orbital dynamic equations of the inflatable space structure coupled with distributed CMGs are obtained by considering the effects of Coriolis force, centrifugal force, and gravity gradient through coordinate transformation. The dynamic characteristics of the inflatable space structure are also analyzed by deriving the eigenvalue problem of a flexible multibody system. Finally, the accuracy of the CMG dynamic model is verified via a classic heavy top example. Several numerical examples are presented to study the influence of the magnitudes and directions of the rotor angular momentum of the CMGs on the dynamic responses and characteristics of the inflatable space structure.

     

On a theory of inflatable shells

A theory of inflatable, incompressible shells is deduced from the general theory of small deformations superposed upon finite deformations. The new aspects of this study, as compared to earlier attacks upon the problem, concern the inclusion of bending effects during inflation and a simple treatment of normal traction.     

On the response and stability of an inflated toroidal membrane under radial loading

Two flat annular hyperelastic membranes, stacked and bonded together at both the boundaries (equators), form a closed inflatable structure of toroidal topology. The response and stability of the inflated toroidal structure subjected to a radial line force distribution at the inner boundary are studied. The forcing is considered under constant pressure and constant amount of gas inflation conditions. Two hyperelastic models described by the corresponding relaxed strain energy density functions are considered for the membrane material. The influence of geometry, material and level of inflation on the response and stability of the structure under load has been brought out. The structure exhibits pressure limit points with increasing levels of inflation. The force–deflection (stiffness) behaviour is found to be qualitatively different below and above the pressure limit points. Below the pressure limit point, wrinkling and pull-in under loading are revealed for different inflation conditions, and the stability boundaries are determined. Under certain conditions, a counter-intuitive stretch-softening behaviour is also observed.