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。     

炸药水中爆炸冲击波超高速同时分幅/扫描摄影技术

研究了超高速同时分幅/扫描摄影技术在炸药水中爆炸冲击波传播中的应用效果,并采用自研的同时分幅/扫描超高速光电摄影系统对炸药水中爆炸过程进行拍摄。结果表明,该系统能够拍摄同一时基、同一空基且具有超高时空分辨的一维和二维图像,进而成功观察到?60 mm×66 mm TNT炸药在水中爆炸冲击波传播过程,获得该过程冲击波阵面平均传播速度及压力。这可为水中兵器战斗部的设计及毁伤效能评估提供参考。     

锥形长药柱水下爆炸冲击波参数计算方法

为了计算锥形长药柱水下爆炸冲击波压力,以及研究长脉宽冲击波的传输特性,基于叠加原理建立了冲击波压力-时间曲线的计算方法,通过实验验证了该方法的有效性,在此基础上分析了锥形长药柱不同方位冲击波压力的分布规律。研究结果表明:锥形长药柱产生的冲击波压力具有各向异性,在起爆端一侧形成的是具有厚波头特征的低幅值长脉宽冲击波,在装药径向形成的是接近指数衰减的高幅值冲击波,而在远离起爆端的冲击波压力幅值和脉宽则介于前两者之间。锥形长药柱与球形装药冲击波分布的差异是由于装药形状和起爆方式的改变所导致的,由于装药不同部位起爆的时间差,导致水下爆炸冲击波在不同位置的叠加效果存在明显差异,药柱周围流场中形成的冲击波压力具有方向性。利用提出的计算方法得到的计算结果与实验结果和数值模拟结果吻合较好,研究结果可为锥形长药柱水下爆炸冲击波威力场和毁伤评估提供参考和依据。     

炸药水中爆炸的冲击波性能

采用PCB138压力传感器测量了TNT、RS211、HLZY-1和HLZY-3等几种炸药水中爆炸冲击波远场的压力时间历程,计算得到了这几种炸药水中爆炸冲击波性能参数及其相似常数。研究表明,含铝炸药水中爆炸冲击波远场的传播服从指数变化的相似律,其冲击波性能比标准炸药TNT优越。含铝炸药HLZY-1具有较好的水中爆炸冲击波性能。     

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.     

含能微球敏化乳化炸药水下爆炸能量输出特性研究

将内部含有烷烃的含能微球引入乳化基质,得到一种新型乳化炸药。采用水下爆炸实验探究微球质量分数对乳化炸药水下爆炸性能的影响,得到含能微球质量分数为0.2%～7%的乳化炸药水下爆炸冲击波压力-时程曲线。依据压力结果,通过公式计算和分析得到炸药的水下冲击波峰值压力、比气泡能、比冲击波能以及比爆炸能等水下爆炸参数。实验结果表明:含能微球质量分数0.2%的乳化炸药的峰值压力最大,并且随着微球质量分数增大而下降;乳化炸药的比气泡能随着含能微球质量分数的增大先上升再下降,微球质量分数为4%的比气泡能最大;乳化炸药的爆速、比冲击波能以及比爆炸能均随着含能微球质量分数的增大而下降。     

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。     

椭球罩作用下的水下爆炸冲击波反射聚焦模型

基于冲击波传播、非线性反射和聚焦理论,建立水下爆炸冲击波在椭球罩作用下的反射聚焦模型。讨论自由传播、壁面反射和定向聚焦阶段的冲击波特性和压力计算方法,利用波前和波法线的近似方程构建压力场的数值计算域,进而模拟聚焦过程,并与现有实验结果进行对比,结果表明:所建模型可为正聚焦压力提供满足工程精度的预测,并能描述水下冲击波及产生的拉伸波聚焦过程中的一些细节;椭球罩能有效地聚焦水下冲击波,在动力学焦点附近获得有效增益区,在近轴方向上明显削弱冲击波压力衰减;理想条件下的动力学焦点一般位于几何焦点之前,但实际的反射罩变形和背向位移将使其发生后迁,甚至能越过几何焦点。     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

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。     

球对称形式物质点法及其在水下爆炸中的应用

利用物质点法求解三维远场水下爆炸冲击响应问题时,爆炸冲击波到达结构物之前传播过程的计算会消耗大量的计算资源,影响求解效率。针对这一问题,并考虑到水下爆炸冲击波在自由场中的传播特点,提出了一维球对称形式的物质点法,对球形炸药水下爆炸过程进行了数值模拟,并与Cole公式以及DYNA计算结果进行了比较,结果吻合较好,验证了一维球对称形式物质点法的正确性。在此基础上,提出了基于物质点法的重映射算法,将爆炸冲击波在自由场中的传播过程在一维球对称模型中进行计算,并将计算结果映射到三维模型中,以便继续完成计算过程,有效避免了计算资源在冲击波传播过程计算上的消耗。     

水下爆炸对沉箱重力式码头毁伤效应

通过开展不同爆距下水下爆炸对沉箱重力式码头模型毁伤效应试验，对水下荷载进行了采集分析，对毁伤因素、毁伤模式和毁伤机理开展了研究，初步讨论了爆距的影响。结果表明:试验中未形成完整的气泡脉动过程，荷载超压主要出现在冲击波传播阶段，爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波是主要的毁伤因素；水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤程度大、模式多、机理复杂，主要毁伤部位为迎爆面外墙、迎爆侧管沟、封仓板和面板；爆距越近码头毁伤越严重；当爆距过近时，爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收，迎爆面毁伤程度大幅增大，码头其他部位毁伤程度增幅放缓。     

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.      

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。     

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。     

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。     

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。     

Coupled acoustic–structural response of optimized ring-stiffened hull for scaled down submerged vehicle subject to underwater explosion

One of the major problems confronted by the designer of submersibles is to minimize the weight of the pressure hull for increasing the payload of a crew and necessary equipment and to simultaneously enhance the strength of the pressure hull for withstanding hydrostatical pressure, underwater explosive loading and other environmental loading. Hence, this paper presents the optimal design of a small-scale midget submersible vehicle (MSV) pressure hull with a ring-stiffened cylinder and two hemispherical ends subjected to hydrostatic pressure, using a powerful optimization procedure combined the extended interior penalty function method (EIPF) with the Davidon-Fletcher-Powell (DFP) method. According to the above optimum design results, we built up midget submersible vehicle finite element model. Then, the coupled acoustic–structural arithmetic from the widely used calculation program of the finite element – ABAQUS, was used to simulate and analyze the transient dynamic response of a midget submersible vehicle pressure hull that experiences loading by an acoustic pressure shock wave resulting from an underwater explosion (UNDEX). The analytical results are presented which will be used in designing stiffened optimum submersible vehicle so as to enhance resistance to underwater shock damage.     

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。