改进特征线法在水下爆炸正反演问题中的应用

介绍了改进特征线法及其在水下爆炸正反演问题中的应用。将改进特征线法用于TNT炸药球水下爆炸的模拟,并与实验数据和AUTODYN程序的结果比较,结果表明,改进特征线法求解水下爆炸问题具有较好的准确性,且能够捕捉到流场中弱冲击的传播。而后应用改进的特征线法将正问题中的冲击波参数作为初值条件,利用逆序差分格式,对水气界面做反演求解;将反演的水气界面与正问题中的界面作比较,结果显示两者在近场吻合良好。     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

简单Green函数法模拟三维水下爆炸气泡运动

假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的，运用势流理论导出气泡边界面运动的控制方程，采用高阶曲面三角形单元离散了维气泡表面，用边界积分法求解气泡的运动．并将计算结果与Rayleigh-Plesset气泡模型和试验数据进行对比分析，分析结果表明高阶曲面单元能够高精度的模拟水下爆炸气泡运动，且比线性单元有多方面的优越性．分别模拟了有、无重力场和刚壁时对气泡运动的影响，并预测了气泡在流场中膨胀、坍塌、迁移、射流形成等苇要动力学行为，同时建立了水下爆炸气泡与圆柱简相互作用的三维模型，模拟了自由液面、圆柱筒附近三维气泡的动力学特性．     

柱状含铝炸药水下爆炸近场的特征线法研究

基于之前提出的一种含熵变项的特征线法，通过控制非等熵流中的能量释放来刻画铝粉燃烧的影响，结合简单Chapman-Jouguet模型和JWL-Miller状态方程，计算了柱形含铝炸药水下爆炸的近场参数。对比模拟结果与实验数据，发现这种特征线法可以较好地预测近场冲击波的传播迹线、爆轰产物的膨胀轨迹以及内部压缩波的反射过程。结果表明，这种特征线法可用于含铝炸药水下爆炸的近场计算，进一步可用于评估含铝炸药性能或计算水下能量输出。     

水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题.本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法,考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题,提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法,该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解,并利用地震波的内部子结构输入方法,将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷,从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入;本文采用圆形爆源子结构区域,并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程.进一步,基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件,该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处.本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化,并采用高精度吸收边界大大减少计算区域,既保证了计算精度,又降低了单元数量,具有较高的计算效率和较强的实用性.通过数值算例分析,验证了本文模型与方法的准确性,模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线,并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.     

水下爆炸非均熵二维定常流的三族特征线解法

针对二维定常可压缩超声速非等熵柱状流,提出一种特征线差分解法,通过在沿马赫线的相容方程中添加沿流线的熵变项以描述非等熵效应,得到等熵流和非等熵流均适用的三族特征线方程组。根据水下爆炸近场特点,建立无限长柱状装药的定常模型,将三族特征线方程组用有限差分法离散求解,通过构造合适的网格保证计算格式可以数值上收敛,由此编制程序并计算几种柱状炸药的水下爆炸近场冲击波。对比有限元模拟结果和实验结果发现,特征线差分法可以比较准确地捕捉冲击波形状并计算冲击波后流场,从而验证了所提出的三族特征线差分法的准确性。     

水下接触爆炸下沉箱码头毁伤效应

为研究水下接触爆炸下沉箱码头毁伤效应和毁伤机理，通过LS-DYNA有限元软件建立沉箱码头水下接触爆炸模型，进行数值模拟研究，并通过试验验证模型准确性。结果表明:运用有限元方法能够较好地模拟水下接触爆炸作用下沉箱码头的毁伤效应，沉箱码头的破坏过程可分为两个阶段:冲击波阶段，沉箱外墙产生初始破口和环状裂缝；气泡膨胀阶段，爆轰产物从破口涌入仓格加速了仓格的变形和毁伤，仓格顶部变形严重导致码头面板破坏，气泡由于冲出水面提前溃灭，码头毁伤在0.14倍的气泡第一次脉动周期基本停止。对比不同爆炸深度，水域中部接触爆炸下沉箱毁伤最为严重，近水面接触爆炸对码头面板的毁伤作用更强。     

近水面水下爆炸二维Level-set数值模拟

水下爆炸是一个多介质、动边界、瞬态非线性过程,捕捉介质之间交界面的变化是数值模拟的一个难点.本文采用Level-set方法来描述水下爆炸气体产物和流体交界面以及自由表面变化,应用TVD (Total Variation Diminishing) 计算技术求解Level-set流场,首先建立了近水面水下爆炸的二维数值方法,然后,将该方法推广到流场内有刚性结构的情况,考虑了冲击波和刚性结构物的相互作用.为了模拟无限边界流场问题,引进了Thompson建立的无反射边界条件.     

微型药柱有限水域爆炸径向压力衰减规律研究

为了研究药柱水下爆炸冲击波压力的衰减规律, 通过实验研究了不同装药量微型药柱 有限水域爆炸固定距离的压力曲线, 得到装药量与峰值压力间的关系, 通过数值模拟方式验 证了实验的正确性. 在同一装药量情况下研究了药柱水下爆炸径向压力的衰减规律, 通过曲 线拟合, 得到径向峰值压力随爆心距离的衰减曲线和方程.     

水下爆炸冲击波载荷作用下冰层破碎特性及其影响因素

水下爆炸破冰是复杂的爆破工程，为了研究冰层在水下爆炸冲击波载荷作用下的破碎特性及规律，利用几何动力分析软件LS-DYNA对水下爆炸破冰的过程进行数值模拟，并将计算结果与实验结果进行对比，误差在8%以内，验证了数值模型的有效性。根据本文中的建模方法及建立的模型，计算不同的实验工况:实验场地环境不变，调整爆距分析不同爆距下冰层破碎特性；调整药量、爆距和冰厚，通过正交设计方法设计9组实验方案，应用灰色系统理论对3种因素进行分析，建立了各个因素与破冰半径之间的灰色关联度系数及灰色关联度。分析结果表明:药量为100 g，冰厚为29 cm，水深为2.9 m，爆距范围为0.3～1.5 m破冰的半径范围为0～1.1 m，最佳爆距范围在0.3～0.45 m之间；根据以上9种工况的分析可知，药量(100、200、300 g)、爆距(0.3、0.6、0.9 m)和冰厚(24、28、32 cm)对破冰半径的影响的主次关系依次为爆距、药量、冰厚。     

PBX-01炸药水中爆轰产物状态方程研究

提出通过水中实验确定炸药的水中爆轰产物JWL状态方程参数的方法;选择PBX-01高能炸药进行水中实验,利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸药的水中实验模型,将实验结果与数值计算结果进行对比,确定PBX-01炸药水中爆轰产物的JWL状态方程参数。研究结果显示,圆筒实验确定的JWL参数在反映炸药水中爆轰产物的膨胀状态时有所不足,水中实验确定的JWL状态方程参数能够更准确地描述PBX-01炸药水中爆轰产物的膨胀过程,因此对水中爆炸的研究需要通过水中爆炸实验建一套状态方程参数。     

离心机水下爆炸缩比实验原理及数值研究

对离心机水下爆炸缩比实验方法进行探究,对离心机水下爆炸缩比实验的相似理论进行了推导,通过数值计算分析,探究了原模型、离心机缩比实验及常规缩比实验的冲击波载荷、气泡载荷以及气泡动力学行为。结果表明:常规缩比实验不能对气泡行为及垂直方向的近场载荷进行准确的预报,若要保证远场气泡脉冲峰值误差小于10%,则爆距需大于9.5倍气泡最大半径。而离心机缩比实验能够对原模型进行准确的预报,以小当量装药模拟大当量装药水下爆炸整个物理过程,且冲击波和气泡两个阶段完全相似。同时,水深也可以进行几何缩比,克服了常规缩比方法的缺陷。     

一种水下爆炸冲击波压力调控方法

起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力有较为显著的影响,这使得利用小当量装药在局部方向形成与大当量装药一定程度等效的冲击波成为可能。为了能够在小当量装药条件下开展舰船结构及设备抗水下爆炸冲击实验,基于细长装药结构和参数优化设计,设计了一种冲击波压力幅值和持续时间可调的装药方法。首先,基于简单波理论给出了水下爆炸冲击波压力调控的原理,以及装药参数优化设计的目标函数和约束条件;然后,采用自主数值模拟软件研究了细长装药的水下爆炸能量输出规律,通过实验验证了数值模拟的置信度,研究发现起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力峰值和持续时间的影响是显著的,在炸药爆速一定的情况下,长药柱水下爆炸冲击波压力的持续时间可通过几何近似确定;最后,为了进一步考察该方法的有效性,以1000 kg TNT和100 m爆距的水下爆炸冲击波压力-时间曲线作为原型,设计了2种与该原型冲击波压力等效的装药方案,并通过数值模拟进行了验证。研究结果表明:设计的装药能够在预定的持续时间内,在装药起爆端一侧形成与原型等效的冲击波压力-时间曲线。由于没有考虑对气泡载荷的等效,因此该调控方法仅适用于中远场爆炸冲击问题。     

基于相变松弛法则的水下爆炸空化模型研究

水下爆炸过程中存在着大量的空化现象,空化的产生、演化及其溃灭过程对于水下冲击波传播、爆炸气泡运动以及水下结构物冲击损伤都会产生重要影响。本文基于多相可压缩流体理论模型,考虑空化发生过程中汽-液两相流体亚平衡状态下两相之间发生的热力学-化学平衡机制,分析汽-液两相介质之间的质量和热量交换,从而实现对相变过程的自动捕捉。该系统的控制方程采用分步法处理,首先利用二阶MUSCL-Hancock格式和HLLC黎曼求解器来求解齐次双曲型方程,再采用牛顿迭代法求解相变方程。数值测试结果表明,本文的计算模型对于空化相变过程具有较好的捕捉能力。最后将该模型应用到水下近水面爆炸空化的数值模拟当中,研究发现空泡的溃灭压力峰值约为冲击波压力峰值的15%,有效作用时间是冲击波载荷有效作用时间的2倍以上。本文的空化相变模型能够为水下爆炸空化现象的机理研究提供重要支撑。     

3D numerical simulation on fluid-structure interaction of structure subjected to underwater explosion with cavitation

In the underwater-shock environment,cavitation occurs near the structural surface.The dynamic response of fluid-structure interactions is influenced seriously by the cavitation effects.It is also the difficulty in the field of underwater explosion.With the traditional boundary element method and the finite element method(FEM),it is difficult to solve the nonlinear problem with cavitation effects subjected to the underwater explosion.To solve this problem,under the consideration of the cavitation effects and fluid compressibility,with fluid viscidity being neglected,a 3D numerical model of transient nonlinear fluid-structure interaction subjected to the underwater explosion is built.The fluid spectral element method(SEM) and the FEM are adopted to solve this model.After comparison with the FEM,it is shown that the SEM is more precise than the FEM,and the SEM results are in good coincidence with benchmark results and experiment results.Based on this,combined with ABAQUS,the transient fluid-structure interaction mechanism of the 3D submerged spherical shell and ship stiffened plates subjected to the underwater explosion is discussed,and the cavitation region and its influence on the structural dynamic responses are presented.The paper aims at providing references for relevant research on transient fluid-structure interaction of ship structures subjected to the underwater explosion.     

水下爆炸冲击凹陷液面诱导射流研究

利用液滴坠落冲击直管中水平液面产生半球形凹陷,并以此凹陷液面作为初始界面进行水下爆炸冲击诱导射流的实验研究。以高速摄影为主要手段,结合Fluent数值模拟,揭示了凹陷液面在水下爆炸冲击作用下的变形过程和机理。实验结果表明,随着爆炸的发生,液面凹陷中心会汇聚形成纤细光滑的射流,同时在管壁附近会产生附加环状射流,这明显区别于冲击直管中水平液面诱导射流的现象。进一步研究发现,中心射流的产生主要源于液面凹陷对爆炸能量的汇聚作用,而附加射流的产生受到液面初始形状和管壁剪切阻力的共同影响,二者经历短暂的加速过程之后均以一个近似恒定的速度向上抬升。通过考察能量对射流的影响发现,中心射流与附加射流的速度均与充电电压(爆炸能量的1/2次方)呈线性正相关;中心射流形态特征基本不变,附加射流则随能量的变化呈现不同的形态。     

三维爆炸与冲击问题仿真软件研究

针对三维复杂爆炸流场的数值模拟,开发了欧拉型三维爆炸与冲击问题数值模拟软件EXPLOSION-3D,对该软件的三个组成模块即计算程序MMIC-3D、有限差分网格自动生成前处理程序MESH-3D和可视化后处理程序VISC-3D的基本理论和算法进行了讨论。以楼群中爆炸流场的三维数值模拟为例,采用该软件对大型爆炸发生后形成的爆炸场进行了数值模拟研究,得到一些有意义的数值结果,这些结果对于爆炸灾害的预防和评估具有重要的参考价值。     

自由场水中爆炸气泡的物理特性

将水中爆炸气泡运动阶段周围流场假设为无粘、无旋、不可压缩的理想流体,运用边界元法模拟自由场中气泡的运动,在气泡运动模拟过程中引入数值光顺技术及弹性网格技术,避免因网格扭曲而导致的数值发散,并开发计算程序。计算值与实验值吻合良好,误差小于10%。从自由场水中爆炸气泡的基本现象入手,基于本文中开发的程序系统地研究了自由场中气泡的动力学特性。对流场中不同方位的压力进行分析,得出气泡中心的迁移方向及射流的攻击方向压力载荷比其他方向均大,说明气泡射流的攻击方向压力载荷最大,对水中结构造成严重毁伤,表明了气泡载荷的不对称性。计算了流场中不同位置的速度变化曲线,结果表明随着距气泡中心距离的增大,气泡运动引起的滞后流的速度迅速减小,且随着气泡的膨胀和坍塌,滞后流的方向逆转,总结了滞后流的衰减及变化规律。     

水平刚性面下方水下爆炸气泡垂向运动的理论研究

为了研究边界面对水下爆炸气泡脉动的影响,根据势流理论建立了水平刚性面下方在浮力作用下作垂向运动的水下爆炸气泡的理论模型,编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度和压力的分布、气泡引起的载荷形式进行了分析。结果表明此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律,并能进行定量的计算。