舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果

为研究水下爆炸气泡载荷对船舶局部结构的毁伤效果,设计建造了实尺度舱段模型,并进行水下 爆炸实验,测量了水中压力、气泡脉动周期、舱段外板结构的动应变与塑性变形。分析了不同冲击因子作用下 舱段结构的动态响应,并结合水中压力测量结果,探讨了气泡射流的成因。在此基础之上,分析了气泡射流载 荷的影响范围以及外板在不同载荷作用下的毁伤模式。实验结果表明,相比冲击波载荷,在某些情况下射流 冲击载荷引起的结构响应更剧烈,毁伤效果更严重,因此在中近场水下爆炸作用下,气泡射流冲击载荷对船体 结构的影响不能忽视。     

水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为试验研究

为加深水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为认识，设计典型圆柱壳结构模型，开展了水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应光电联合测试，获得了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用高速光学物理图像、动态应变、超压载荷、毁伤模式等试验数据。通过高速光学物理图像和三维激光扫描毁伤形态的分析，给出了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用物理过程及最终毁伤模式；通过动态应变的分析，给出了圆柱壳结构迎爆面和背爆面在加载过程中应变拉伸压缩转变和响应阶段的划分；通过超压载荷的分析，明确了装药爆轰完全性以及接触爆炸加载下结构吸能对超压的影响。研究表明：爆距的变化会显著影响圆柱壳结构的毁伤形态，近距加载下圆柱壳结构主要呈现塑性大变形，接触加载下圆柱壳结构主要呈现撕裂破坏；近距加载下圆柱壳结构迎爆面空化区的形成及溃灭形成的二次加载毁伤效应不容忽视，值得深入研究；研究成果可为水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构毁伤评估提供参考和依据。     

水下爆炸中气泡射流壁压特性实验研究

水下爆炸气泡射流载荷是中近场水下爆炸壁压载荷的重要组成部分, 将水下爆炸气泡射流简化为一段高速水柱来研究水下爆炸气泡射流载荷特性是研究水下爆炸气泡射流载荷的主要手段。本文基于腔内爆炸提出了一种新的高速水射流实验方法，并给出了实验装置设计、实验方法以及实验系统。基于实验系统，开展了不同工况下高速水射流的实验研究，研究了腔口位置、腔深对水射流形态的影响，并对水射流的形态形成因素进行了分析。使用压电型壁压传感器测得了水射流冲击壁压，给出了水射流冲击壁压的特性及其特点。实验结果表明:腔口位置与腔深是影响水射流端面形态的重要因素；生成的高速水射流冲击壁压峰值满足水锤理论。基于腔内爆炸的高速水射流实验方法能够应用于包括水下爆炸气泡射流在内的高速水射流形态、壁压特性的研究。     

近场水下爆炸气泡脉动及水射流的实验与数值模拟研究

海上作战时,近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律,开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明,气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着,基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟,结果表明:爆距在0.821～0.867倍最大气泡半径时,存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点;固支方板加快了气泡坍塌的进程,炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早;射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小,并在临界点附近达到最大值,射流速度最大可达621 m/s,射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后,给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。     

不同环境下气泡脉动特性实验研究

水下爆炸气泡对舰船结构造成严重的毁伤, 海上实船爆炸实验是考核水下爆炸气泡对舰船毁伤威力最直接、最有效的方法, 然而真实情况的舰船水下爆炸实验难以进行.为此, 在已有研究成果的基础上, 设计实验电路, 利用电容在相对较低的电压下放电打火产生的电火花气泡来模拟水下爆炸气泡, 设计多组实验工况来模拟气泡在不同环境下的运动特性. 研究气泡在不同环境下的脉动特性、射流特征, 揭示一些特殊的实验现象, 总结环境对气泡运动的影响规律.      

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.      

水下爆炸气泡射流载荷阵列测量技术探索

水下爆炸气泡射流载荷测量目前存在两个难点:（1）气泡射流载荷是非均匀的面载荷,但其作用半径仅为气泡最大半径的1/10,限于传感器尺寸及安装空间,敏感元密度较低,难以准确获取气泡射流载荷空间分布规律;（2）气泡射流载荷测量时传感器所处的力学环境非常复杂,传感器容易损坏,导致无法测得完整时程。因此现有测量手段难以获取气泡射流载荷的时空分布特性。鉴于此,设计了一种阵列传感器,在一张PVDF（聚偏氟乙烯）压电薄膜上采用特殊工艺加工多个小型敏感元,敏感元尺寸为5 mm×5 mm,呈8×8矩阵排列,敏感元密度≥1 cm?2,同时在揭示传感器损坏机理的基础上设计了传感器防护装置。在小型观测水槽内开展了小当量炸药水下爆炸试验,采用阵列传感器测量获取了气泡射流载荷的时空分布特性。研究结果表明:（1）设计的防护装置可保证传感器在气泡射流载荷测量过程中不损坏;（2）气泡射流载荷中心最大,向四周逐渐减小,中心处气泡射流载荷峰压约35.6 MPa,约为冲击波峰压的1.16倍。建立的阵列测量技术可为水下爆炸气泡射流的深入研究提供技术支撑。     

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。     

装药量及水深对水下爆炸气泡动态特性的影响

以气泡体积加速度模型为基础研究水下爆炸气泡运动的初始条件,采用MSC.DYTRAN 非线性 有限元软件,结合开发的定义流场初始条件与边界条件的子程序,研究水下爆炸气泡运动特性,包括气泡的脉 动、坍塌以及射流等运动特性,并将气泡脉动体积计算结果与实验及边界积分方法计算结果进行对比,验证了 有限元模型的正确性与有效性。以此为基础,得到初始水深、装药量与气泡的脉动体积、最大半径、周期以及 射流速度之间的关系,计算结果与经验公式具有较好的一致性。得到一些有规律性的曲线,可为相关水下爆 炸气泡动态特性研究提供参考。     

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。     

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.     

水中爆炸气泡与水底边界相互作用的水射流现象

应用开尔文冲量原理,分析了水中爆炸产生的气泡与水底边界相互作用产生水射流的主要影响因 素,开展了气泡与水平放置的钢板相互作用水射流现象的实验研究工作。通过改变炸药到钢板的距离,得到 不同爆距条件下,气泡与钢板相互作用形成水射流的动态过程图像和气泡2次脉动压力。理论分析和实验结 果均表明:随着爆距的减小,Bjerknes力迅速增加,气泡与水平放置钢板相互作用产生水射流的临界条件为爆 距小于气泡最大半径。水射流具有非常明显的方向性,对目标毁伤作用明显。     

NUMERICAL ANALYSIS ON THE VELOCITY AND PRESSURE FIELDS INDUCED BYMULTI-OSCILLATIONS OF AN UNDERWATER EXPLOSION BUBBLE

假设水下爆炸气泡的内部气体在膨胀收缩过程中满足绝热条件,周围流体无黏无旋不可压缩. 基于势流理论,采用边界元法研究气泡动力学行为,重点关注气泡引起的流场脉动载荷以及滞后流特性,给出了相关的理论推导和数值计算方法. 通过将数值结果与解析解、实验值进行对比,数值模型的收敛性和有效性能够得到保证. 利用编写的程序进行计算和分析,发现在气泡加速膨胀阶段,流场压力在气泡径向不一定是逐渐衰减,还有可能以先增后减的规律变化;气泡射流后,为了能够继续描述环状气泡的运动以及流场特性,将此时的流场分为无旋场和一个布置在气泡内部涡环的叠加,计算过程中采用了一些数值技巧处理气泡的拓扑结构,得以连续模拟多个周期的气泡运动. 环状气泡具有相对较高的上浮迁移速度,而且在其顶部和底部附近分别形成两个高压区,顶部的高压区峰值相对较大,底部的高压区范围相对较大. 环状气泡中心轴上的流场速度会在气泡中心有一个加速过程,在气泡顶部附近又迅速减小.     

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件. 实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度. 前人基于 Rayleigh-Plesset 气泡理论和 “Bjerknes” 力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理. 本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究. 然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程. 研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在“正反馈效应”,从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理. 射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小. 本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.      

环形喷管喷口气泡演化的实验研究

水下气泡的发展演化及气泡动力学行为是气液两相动力学的基础理论与水下射流应用的重要基础. 环形喷管/喷口形成的气泡及气体射流具有其不同于圆孔实心射流的特殊表现与规律机制,随着同心筒破水发射等特殊应用的出现,环形喷口气体射流/泡流的基础现象观测和机制分析成为迫切的需求. 基于环形喷管的设计和水下射流条件的分析,设计建立了一套环形喷管水箱实验系统,对水下环形喷管喷口气泡发展演化过程进行了初步的实验研究. 为观测研究气体通过环形喷管气泡生长发展过程,在较低压力、较低流速下,采用高速摄影仪记录气泡生长及发展演化过程. 结合对气泡发展演化过程的图像处理与分析,研究分析了环形喷口气泡形成区制、气泡生长过程形态发展特点、以及气泡形成时间及气泡体积变化特点. 研究表明:在本实验气体流量范围内(50.8~237.3 dm3/min),环形喷口气泡发展演化过程呈现较为明显的三周期区制,前泡尾流影响是环形气泡呈三周期区制的主要原因;不同周期内的气泡形成时间具有较稳定规律,并受到流量影响;气泡生长过程中有较为明显的下沉、回升特征;气泡表面张力、液体惯性与流动的共同作用,造成了典型的气泡顶部坍塌现象.      

基于二阶双渐近法的双层圆柱壳在水下爆炸作用下的鞭状运动

针对潜艇在水下爆炸载荷下的鞭状运动,从波动方程出发,推导了二阶双渐近法后期近似,并结合声固耦合法初步解决了双层圆柱壳的内域问题,然后将其与显式有限元耦合形成了圆柱壳结构水下爆炸流固耦合分析方法。通过简单算例验证了本文分析方法的有效性和精度。最后,基于此方法分析了双层圆柱壳结构在水下爆炸载荷下的总体响应特性以及周期比和爆距比对其影响规律。     

狭长直管约束条件水下电爆炸所产生的气泡运动和界面射流

以高速摄影为主要手段,揭示直管中爆炸诱导气泡和射流的典型演变过程,并测试爆炸深度和爆炸能量对该现象的影响。研究发现直管中爆炸诱导的表面射流分为光滑和粗糙的两段,这区别于自由表面射流的形态;爆炸气泡的发展经历一个先膨胀再坍缩的过程,其中封闭坍缩以气泡顶部形成内向射流为特征。表面射流速度主要来自爆炸早期短时间内气泡膨胀赋予水体的冲量,且整体上与起爆能量成正相关,而与爆炸深度成反相关;用准一维的简化模型能够很好地描述它们之间的依赖关系,计算结果不仅在趋势上与实验结果一致,数值上也能很好吻合。