水下爆炸气泡脉动测量及分析

水下爆炸气泡破坏效应是水中兵器的重要毁伤模式之一。为研究水下爆炸气泡脉动现象,建立了小当量水下爆炸实验系统,并进行了爆炸当量分别为0.125g、1.0g、3.375g和8g TNT的水下爆炸实验。采用球形PETN装药并中心起爆,产生球形对称的气泡和冲击波载荷,并利用高速摄像系统记录水下爆炸气泡脉动过程,以及布置压力传感器测量水中冲击波压力。实验获得了清晰的水下爆炸气泡脉动过程图像,得到了冲击波和气泡脉动压力曲线。对数字化图像进行判读,得到气泡脉动直径和周期。另外根据冲击波曲线测量了气泡脉动周期,对比分析了气泡脉动相关参数。结果表明,高速摄像数据测量的气泡直径与经验公式较接近,高速摄像测量的气泡周期与冲击波曲线测量的气泡脉动周期以及经验公式结果具有较好的一致性。本文提出的实验技术安全、经济、可靠,气泡脉动参数判读精确,满足水下爆炸气泡脉动研究需求。     

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.      

铝合金格栅夹层结构水下抗冲击特性的实验研究

基于非药式水下爆炸冲击波加载技术,对格栅型夹层结构的动态响应及抗冲击防护性能,进行了实验研究。利用高速相机,对夹层板的动态变形情况进行了实时观测,获得了格栅夹层板气背面在水下冲击波作用下的动态响应历程,并结合相同面密度单层板在水下冲击波作用下的抗冲击变形结果,对比分析了铝合金格栅夹层板的抗冲击防护性能,获得了格栅型夹层板的气背面板最大变形量与水下冲击波量纲一冲量间的定量关系。     

水下爆炸气泡射流载荷计算的新方法研究

由于存在强冲击、多相界面复杂运动等强非线性效应,目前对于水下爆炸气泡运动的计算方法无法给出较为可信的水射流运动特征及其载荷形式.本文基于多相可压缩流体的five-equation计算模型,引入界面函数和界面密度压缩技术,采用5阶WENO重构与HLLC近似Riemann求解器进行空间离散,时间离散采用3阶TVD Runge-Kutta法.通过上述方法来提高水下爆炸气泡溃灭过程中气-液界面的计算精度,捕捉水射流的产生、发展以及水锤冲击等典型演化过程.计算结果表明,新的计算方法能够对水下近壁面爆炸气泡的溃灭过程进行有效的模拟,初步揭示了水射流直接载荷的特征,为水射流的产生机理及其损伤效应的研究提供技术支撑.     

爆炸实验水池防护性能及动力学响应分析

针对爆炸实验水池强度设计问题,利用非线性动力学程序LS-DYNA对10 kg TNT爆炸后的水中冲击波传播规律及爆炸水池结构动态响应情况进行了数值模拟, 对空气桶和气泡帷幕削弱水中冲击波的能力进行了定量计算,结果表明:空气桶对冲击波峰值压力削弱作用接近50%,对比冲量削弱作用达到16.2%;气泡帷幕对壁面反射冲击波的削弱作用高达86.2%,对比冲量削弱作用达到75.6%。在此基础上进一步分析了冲击载荷作用以及结构响应机理,指出了内衬钢板和混凝土围堰的危险区域,对爆炸能量在各物质间的分配和传递规律进行了初步探索,为相关爆炸水池的工程设计提供参考。     

不同边界条件下炸药水中爆炸的能量输出结构

针对不同边界条件下,炸药水下爆炸的能量输出结构,设置自由场、沉底、近水底和近水面等不同 边界条件水下爆炸实验。结果表明,炸药在距水底、水面一定距离时爆炸,边界条件对冲击波影响较小,对气 泡脉动影响较大;当炸药与水底距离小于1倍最大气泡半径处爆炸时,由于水底边界影响,不能形成完整的气 泡脉动;当炸药在距水面小于1倍最大气泡半径处爆炸时,气泡直接溢出水面,不能形成气泡脉动压力;当炸 药在距水面1~1.5倍最大气泡半径处爆炸时,部分气泡溢出水面,气泡脉动压力较自由场爆炸时小;气泡在 膨胀和收缩过程中,由于气泡不断上升,水面对气泡脉动的影响范围要大于水底。     

离心机和密闭加压容器中水下爆炸相似关系

水下爆炸冲击波和气泡脉动的共同作用不能仅依据几何相似条件进行模型试验，相关的尺寸缩比模型试验可以借助密闭加压罐或离心机进行。通过量纲分析和π定理对模型试验的相似理论进行了推导，分别探讨了密闭加压容器和离心机中水下爆炸的相似关系及其适用范围，并对原型工况和尺寸缩比为1/20和1/30的模型工况基于LS-DYNA进行了数值模拟。结果表明:加压模型试验中水下爆炸冲击波、气泡脉动半径和周期可以满足相似关系，但是气泡迁移和射流不符合相似关系；离心模型试验中水下爆炸冲击波和气泡脉动基本完全相似。     

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。     

近边界三维水下爆炸气泡动态特性研究

模拟了近壁、近自由面的水下爆炸气泡的非线性动态特性,假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的,采用高阶曲面三角形单元离散三维气泡表面,用边界积分法求解气泡的运动,在计算奇异积分时通过重新构造双层位势的主值积分消除双层奇异积分的奇异性,得到更精确的结果,并通过合理的加权方法精确的求解边界面上各节点的真实速度,结合弹性网格技术（elastic mesh technique, EMT）得到优化速度,在整个模拟过程中不需要采用数值光顺。将本文的三维模型与轴对称模型进行的对比分析表明,两种模型计算结果吻合很好,并用三维模型模拟了气泡与自由表面及圆筒的相互作用,水下爆炸气泡在自由表面及圆筒的联合作用下呈现出强非线性。     

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。     

喷管对水下爆轰气泡形态和压力特征影响的实验研究

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明：扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡...     

气泡及其破碎兴波对浮动冲击平台影响探究

基于LS-DYNA软件中的ALE算法，对近水面水下爆炸气泡脉动过程进行数值模拟并与实验结果进行对比，验证了近水面近壁面混合边界有限元模型和参数设置的正确性。设置不同爆炸工况，对气泡及其破碎兴波对浮动冲击平台影响进行探究，结果表明:在水下爆炸过程中，气泡、自由面、浮动冲击平台会发生强烈的耦合作用，在气泡脉动阶段，气泡会诱导出涌流和水冢效应，影响浮动冲击平台的安全性和使用性；冲击波是影响浮动冲击平台冲击环境的主要因素，由于气泡的低频性，气泡脉动及水冢对浮动冲击平台的直接冲击作用，会小幅度增加浮动冲击平台冲击环境的谱速度值、谱位移值，对谱加速度值几乎无影响；水冢抨击水面所形成的波浪和气泡破碎兴波，对浮动冲击平台造成的激励载荷呈周期性，其周期与波浪周期相同。波浪的激励载荷仅通过激励其对应频率的浮动冲击平台共振来改变平台的冲击环境。波浪载荷很小，对浮动冲击平台的冲击环境影响较小。     

气泡射流载荷作用下圆柱壳动态响应

为了解药包在距离结构较近时水下爆炸气泡对水中结构冲击的影响,假设圆柱壳结构附近气泡的位移为自由场中气泡由于浮力产生位移和圆柱壳对气泡吸引产生位移的和,并建立了简化射流模型,对射流冲击下圆柱壳板架所产生的毁伤效应进行研究,分析了破坏形式,拟为水下爆炸气泡射流对船体的毁伤提供参考。     

Interactions between a central bubble and a surrounding bubble cluster

The interaction of multiple bubbles is a complex physical problem. A simplified case of multiple bubbles is studied theoretically with a bubble located at the center of a circular bubble cluster. All bubbles in the cluster are equally spaced and own the same initial conditions as the central bubble. The unified theory for bubble dynamics [35] is applied to model the interaction between the central bubble and the circular bubble cluster. To account for the effect of the propagation time of pressure waves, the emission source of the wave is obtained by interpolating the physical information on the time axis. An underwater explosion experiment with two bubbles of different scales is used to validate the theoretical model. The effect of the bubble cluster with a variation in scale on the pulsation characteristics of the central bubble is studied.     

CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究

为研究CL-20基炸药、CL-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2 m×2 m×2 m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生、膨胀和收缩过程。拟合得到气泡脉动过程中气泡半径、速度、加速度对时间的变化曲线,对比分析了CL-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律。在实验条件下,首次直观地拍摄到CL-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象。实验表明:CL-20基含铝炸药的气泡半径、脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段。     

激波冲击SF6重气泡引发射流的数值模拟

为深入研究重气泡内激波聚焦和射流生成的机理,采用高精度计算格式和高网格分辨率对马赫数为1.23的平面入射激波与SF₆重气泡的作用过程进行数值模拟,计算结果与文献中实验吻合较好。结果显示:入射激波在重气泡内首先在流向上汇聚形成上、下对称的高压区,随后,这对高压区在SF₆重气泡中心对称轴处再次碰撞,完成激波聚焦过程,并在气泡下游界面附近形成远大于初始压力和密度的局部高压高密度区,体现出SF₆重气泡极强的聚能效应;激波聚焦还引起气泡下游界面附近的涡量变化,涡对的旋转能够加速射流形成与发展。因此,SF₆重气泡下游界面附近的高压区和涡量分布对形成射流结构均有促进作用。     

水下爆炸柱形高压气泡膨胀过程的RGFM和高精度格式数值模拟

为了对柱形装药水下爆炸高压气泡膨胀过程进行三维数值模拟,用level set方法追踪气水界面,详细描述了精确对柱形气泡进行level set建模;对于流场,使用Euler方程描述,并用高精度格式(五阶WENO和四阶R-K法)离散空间项和时间项;对于level set方程,使用五阶HJ-WENO离散;用RGFM处理气水界面附近网格节点。给出了水下流场不同时刻的压力云图、柱形高压气泡的形状演变以及流场中几个指定点的压力峰值。通过三维建模和计算验证,用RGFM结合高精度格式可以很好地对柱形高压气泡膨胀问题进行三维数值模拟,同时也可以较精确地追踪高密度比、高压力比的三维气水界面。计算结果表明,柱形高压气泡在膨胀过程中,形状逐渐向椭球形变化;位于固壁附近的柱形高压气泡受固壁反射波的影响,在固壁法线方向上的膨胀会受到抑制;双圆柱形高压气泡膨胀产生的冲击波,可以彼此抑制对方的膨胀。     

水下针-板放电气泡脉动及冲击特性

为明确水中脉冲放电能量释放过程所产生气泡的脉动和压力波冲击特性，依据能量等效原则，在LS-DYNA软件中建立针-板电极结构的水下爆轰模型，模拟气泡形态。通过与获取的物理图像比对，发现气泡形态和时间演化尺度高度一致。在此基础上，对气泡的冲击特性进一步分析，结果表明:冲击波峰值、气泡脉动周期和半径大小随放电能量增加而加大，随静水压力的增加而减小；当放电电压由14 kV增至20 kV，二次压力波峰值由2.89 MPa升至4.09 MPa，提高41.5%；当静水压力由202.65 kPa增至506.63 kPa，二次压力波峰值从5.15 MPa升至6.36 MPa，提高23.5%，放电能量和水压的增加对二次压力波提升明显；随着距离增加，二次压力波所占冲击波的峰值压力比重，由12.6%增加至35.3%，远场放电位置二次压力波不可忽视。