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。     

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应，开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验，使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程，并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟，通过调整流固耦合的网格大小，避免了耦合泄漏。实验结果表明，火箭发动机受到射流冲击后，会发生剧烈爆炸，推进剂完全反应，破片速度达4 700 m/s以上，距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa，爆炸中心温度达到3 000 ℃以上，该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示，射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后，射流头部的尖端被严重烧蚀，且速度降至约5 600 m/s；推进剂在受到射流侵彻1～2 mm后，发生剧烈反应；爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播，并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂，发生装药的二次冲击起爆，同时伴有回爆现象，在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰；距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa，与实验结果吻合较好。     

二维弹性结构入水冲击过程中的流固耦合效应

描述了一个研究弹性结构入水冲击过程中水弹性效应的数值方法,在弹性结构入水冲击过程中,流体域作用在结构上的水动力载荷由边界元法获得,而结构的弹性动力响应则由有限元方法求解,通过线性给离散Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程将有限元方程和边界元方程耦合到一起,从而获得了求解流场和结构动力响应的相互耦合的运动方程。在数值考虑了自由表面的非线性边界条件,通过引入射流单元以及最大射流厚度,较好地处理了冲击引起的射流问题。     

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。     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落.而射流对空穴和回射流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度 修正的RNG $k$-$\varepsilon $湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod) 水翼和采用射流后的 水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到 近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水 翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理. 结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播 导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响. 回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一 直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累. 在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化 和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射 流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果. $Q$准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的 流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落. 而射流对空穴和回射 流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.      

多孔药型罩聚能射流的稳定性

基于Herrmann改进的Grneisen状态方程,对多孔药型罩受冲击压缩产生的温升进行了估算,从理论上分析了孔隙度对射流断裂时间的影响。使用脉冲X光测试并结合侵彻实验研究了药型罩初始孔隙度为9.3%和11.4%时聚能射流的稳定性。研究结果表明,在一定孔隙度范围内,射流的稳定性随孔隙度的增加而增强。     

有效射流结构模式的数值模拟

应用LS-DYNA程序及示踪点信息后处理方法，将典型小锥角药型罩沿母线方向分为4段，研究其微元在炸药爆炸驱动下的运动规律及有效射流结构模式。射流形成并稳定后，将罩质材料按速度大小分为6段，得到各段结构组成模式。结果表明，有效射流高速段由药型罩顶部材料组成，次高速段及中速段由罩中部及中下部材料组成，靠近罩底部约0.25倍罩高范围内的材料不形成射流，有效射流段为初始材料微元的管状分层分布形结构。     

横流冲击射流尾迹涡结构的实验研究

本文采用LIF（激光诱导荧光）流动显示和PIV（粒子图像速度场仪）测量对横流冲击射流的尾迹涡结构进行了实验研究。水槽实验是在三种流速比和两种冲击高度实验工况下进行的。由实验结果可得到两种明显的尾迹涡结构、，即射流尾迹涡和横流尾迹涡。横流冲击射流中形成的主要尾迹涡结构主要依赖于流速比。本文还对横流冲击射流近区范围内射流尾迹涡和横流尾迹涡的形成机理和演化特征进行了分析。     

部分充液多胞元结构的面内动态力学特性研究

为探究部分充液多胞元结构的抗冲击防护性能,结合充液内凹胞元的落锤冲击试验,建立了充液内凹胞元、部分充液内凹多胞元结构的冲击动态特性二维FEM数值分析,计算得到了部分充液内凹多胞元结构的变形破坏模式,讨论了不同冲击速度下部分充液内凹多胞元结构的动力学响应特性。结果表明:在充液胞元破损后,水介质会流入相邻未充液胞元,形成二次鼓胀吸能效应,从而有效提高结构壁面的变形吸能水平;结构中的充液区域和未充液区域的变形破坏模式分别为鼓胀拉伸和屈曲弯折;随着冲击速度的提高,结构的单位体积应变能以及对初始冲击载荷的削弱作用均得到增强。横向充液方式可以等效为变刚度弹簧的串联布置,该方式仅影响结构的局部刚度,纵向充液方式可以等效为多层变刚度弹簧的并联布置,该方式会影响结构的整体刚度;充液区域与未充液区域的等效刚度呈动态变化,结构变形模式由各区域实时的等效刚度决定。当载荷冲击速度较高时,横向和纵向部分充液内凹多胞元结构对初始冲击载荷的削弱能力均优于未充液内凹多胞元结构。     

An adaptive artificial viscosity for the displacement shallow water wave equation

The numerical oscillation problem is a difficulty for the simulation of rapidly varying shallow water surfaces which are often caused by the unsmooth uneven bottom,the moving wet-dry interface, and so on. In this paper, an adaptive artificial viscosity(AAV) is proposed and combined with the displacement shallow water wave equation(DSWWE) to establish an effective model which can accurately predict the evolution of multiple shocks effected by the uneven bottom and the wet-dry interface. The effec...     

求解浅水波方程的并行物理信息神经网络算法

双曲守恒律方程是一类比较特殊的偏微分方程,其数值求解方法的研究一直是一个热点问题,一个显著特性是即使初始条件是光滑的,其解也可能会发展成间断。浅水波方程作为非线性双曲守恒律方程,由于间断解的存在,其精确求解存在很大困难。针对浅水波方程数值求解问题,本文基于PINN(Physics informed neural networks)反问题网络结构构造新的网络,构造的网络结构包括两个并行的神经网络,其中一个网络与已知状态数据(熵稳定格式加密求出)相关,另一个网络与方程本身相关。利用已知速度数据结合浅水波方程本身求解未知水深,最终通过一些数值算例验证网络的可行性。结果表明,新的网络结构可用于浅水波方程求解,利用速度数据可以较为精确地推算出水深。     

Impact pressures of turbulent high-velocity jets plunging in pools with flat bottom

Dynamic pressures created by the impact of high-velocity turbulent jets plunging in a water pool with flat bottom were investigated. Pressure fluctuations were sampled at 1 kHz at the jet outlet and at the pool bottom using piezo-resistive pressure transducers, jet velocities of up to 30 m/s and pool depth to jet diameter ratios from 2.8 to 11.4. The high-velocity jets entrain air in the pool in conditions similar to prototype applications at water release structures of dams. The intermittent character of plunge pool flows was investigated for shallow and deep pools, based on high order moments and time correlations. Maximum intermittency was observed for pool depths at 5.6 jet diameters, which approximate the core development length. Wall pressure skewness was shown to allow identifying the zone of influence of downward and upward moving currents.     

90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性

用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程,全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程,分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律;研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程,探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明:随着入水速度的增加,空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合,每种闭合方式对应的一个速度区间;弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s;不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化;随着水深的增加空泡扩张初速增大,空泡最大直径减小,扩张段缩短,收缩段延长;同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高;水幕闭合后会产生向上和向下两股射流,向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响;近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流,并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流;空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变,弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动,进而导致空泡壁面发生波动,壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。     

N2双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验研究

为了在较低压力下获得较小粒径的细水雾,降低喷雾抑爆系统的运行成本,提高系统的适用性和抑爆效率,自行搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台。采用双流体喷嘴将N₂和细水雾送入试验管道,通过调节喷雾压力和喷雾时间开展了双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究,从火焰速度、瓦斯爆炸超压2个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明:N₂双流体细水雾抑爆效果明显,可以减小瓦斯爆炸强度;随着喷雾时间的延长,爆炸火焰的速度峰值逐渐下降,爆炸超压峰值逐渐下降,平均升压速率逐渐降低;当N₂压力为0.4 MPa、喷雾时间为3 s时,速度峰值比不喷雾时下降60.39%,爆炸超压峰值下降37.76%。     

正交异性复合材料储液容器入水过程数值分析

采用多物质ALE流固耦合算法,对柔性储液容器的入水问题进行了仿真研究。该方法可以方便地考虑多种流体同时与结构耦合。首先,通过模拟平板恒速入水试验,验证了该方法的有效性,并确定了空气的影响。进而,仿真分析了复合材料柔性容器入水时的动态响应行为,结果表明,底部"空气垫"及容器内空气对冲击载荷具有一定的缓冲作用,容器底部形状、储液量等因素也具有较大影响。仿真得到的响应规律为容器的优化设计提供了重要的理论参考。     

LARGE-SCALE VORTICAL STRUCTURES PRODUCED BY AN IMPINGING DENSITY JET IN SHALLOW CROSSFLOW

The large-scale vortical structures produced by an impinging density jet in shallow crossflow were numerically investigated in detail using RNG turbulence model. The scales, formation mechanism and evolution feature of the upstream wall vortex in relation to stagnation point and the Scarf vortex in near field were analyzed. The computed characteristic scales of the upstream vortex show distinguished three-dimensionality and vary with the velocity ratio and the water depth. The Scarf vortex in the near field plays an important role in the lateral concentration distributions of the impinging jet in crossflow. When the velocity ratio is relatively small, there exists a distinct lateral high concentration aggregation zone at the lateral edge between the bottom layer wall jet and the ambient crossflow, which is dominated by the Scarf vortex in the near field.     

Fluid–structure interaction during the impact of a cylindrical shell on a thin layer of water

A two-dimensional unsteady analysis of an elastic circular cylindrical shell that enters a thin layer of an ideal incompressible liquid is considered. The cylinder initially touches the liquid free surface at a single point and then penetrates the liquid layer at a constant vertical velocity. The problem is coupled because the liquid flow, the shape of the elastic shell and the geometry of the contact region between the body and the liquid must be determined simultaneously. The flow region is subdivided into four complementary regions that exhibit different properties: the region beneath the entering body surface, the jet root, the spray jet, and the outer region. A complete solution is obtained by matching the solutions within these four subdomains. The structural analysis is based on the normal-mode method. Strain-time histories of the inner surface of the cylinder are of particular interest. In the case of a very flexible shell three distinct regimes of the impact process were found. For a high impact velocity the lower part of the shell flattens and the shell does not enter the water. For a moderate impact velocity the shell reaches the bottom and an effect of “fluid capture” may occur. For a low impact velocity the shell penetrates the liquid, but the size of the contact region decreases before the shell reaches the bottom. This behaviour corresponds to exit or “reflection” of the shell from the water layer.     

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。     

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。