水下爆炸气泡与复杂弹塑性结构的相互作用研究

计及结构的弹塑性,将边界元法(BEM)与有限元法(FEM)耦合提出了气泡与弹塑性结构耦合动力学计算方法,并开发了全套的三维水下气泡分析程序（UBA）,计算值与实验值之间误差在10%以内．以水面舰船为例,将三维计算程序工程化．并分析了水下爆炸气泡载荷作用下船体的弹塑性响应,从船体结构典型单元上的应力时历曲线可以看出,在气泡坍塌时出现应力峰值,证实了气泡坍塌压力及射流引起的压力对舰船等结构造成严重毁伤．从气泡与舰船的相互作用中可以看出,舰船低阶垂向振型被激起,在气泡作用下呈鞭状运动,同时舰船随着气泡的膨胀和收缩作升沉运动,通过本文的分析得到了适合于工程应用的规律及结论．     

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。     

单个三维气泡的动力学特性研究

模拟了单个气泡在重力场作用下动态特性,假设流场为无粘、无旋且不可压的理想流体,采用三角形单元离散流场边界,并用边界积分法求解流场,用Mixed-Eulerian-Lagrangian方法模拟气泡的演化,并在必要的时候采用三维光顺方法对气泡表面及其速度势分布进行光顺,使计算程序更准确,更稳定.在分析过程中,将本文三维模型的计算结果与Rayleigh-Plesset气泡模型及试验数据进行对比分析,三维模型的计算值与精确解及实验数据吻合很好,表明本文方法及计算模型具有较高的精度,并通过对比改变不同物理参数时对气泡运动周期及射流速度的影响,得出一些规律性的曲线,旨在为相关的水下气泡动力学分析提供参考.     

行波驱动下空泡在可压缩流场中的运动特性研究

基于波动方程给出了计及可压缩性的边界积分方程. 以此为基础,求解行波驱动下非球状空泡的运动规律及其运动稳定性,并分析比较了行波频率、幅值以及初相位对空泡运动特性的影响. 研究结果表明：较高的行波频率与较低的幅值是空泡稳定运动的充分条件. 在一定幅值和频率的行波驱动下,空泡将在收缩阶段末期形成与行波传播方向相同的高速射流;计及流场可压缩性后,空泡脉动一次的时间减短,幅度减弱,射流顶点速度以及空泡内部压力的峰值随之减小;随着行波频率的增大或是幅值的降低,空泡脉动幅度与射流强度逐渐减弱;行波初相位的变化使空泡的初始运动状态随之改变,并影响非球状变形时的射流强度. 关键词： 可压缩 空泡 行波 运动特性     

The interaction between multiple bubbles and the free surface

The flow is assumed to be potential, and a boundary integral method is used to solve the Laplace equation for the velocity potential to investigate the shape and the position of the bubble. A 3D code to study the bubble dynamics is developed, and the calculation results agree well with the experimental data. Numerical analyses are carried out for the interaction between multiple bubbles near the free surface including in-phase and out-of-phase bubbles. The calculation result shows that the bubble period increases with the decrease of the distance between bubble centres because of the depression effect between multiple bubbles. The depression has no relationship with the free surface and it is more apparent for out-of-phase bubbles. There are great differences in dynamic behaviour between the in-phase bubbles and the out-of-phase bubbles due to the depression effect. Furthermore, the interaction among eight bubbles is simulated with a three-dlmensional model, and the evolving process and the relevant physical phenomena are presented. These phenomena can give a reference to the future work on the power of bubbles induced by multiple charges exploding simultaneously or continuously.     

近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型；并开发相应的计算程序，计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手，运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性，包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象；研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系，总结相关规律，近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中，讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围，并解释了Blake准则的失效的原因.     

并列弹性双圆柱在均匀流场中的流体激励力的研究

实验研究了并列弹性双圆柱体在均匀流场中的水动力特性，其中包括柱表面稳态及脉动压力系数，稳态阻力及升力系数，脉动阻力和升力系数，结果表明：Ｖ＿ｒ＞Ｖ＿（ｒｃ）时，柱的振动对其流体激励力有明显影响。     

基于船体与设备一体化的设备抗冲击阈值

为了确定设备抗冲击阈值,基于主从系统耦合振动理论,以船用增压锅炉、齿轮箱为研究对象,将船体与设备的一体化抗冲击数值实验的数值统计特征进行分析。通过大量算例结果分析,提出将冲击作用下设备应力响应标准差作为设备失效判据,并给出了设备冲击作用下应力响应标准差最大值计算经验公式。     

浮动冲击平台冲击环境对设备响应的影响

对浮动冲击平台提供给设备的冲击环境及舰载设备在不同冲击环境下的响应进行了数值模拟和理论分析。以美国中型浮动冲击平台为计算模型,将设备基座的冲击环境与德国规范BV 043-85进行了比较,为分析两个体系在设备抗冲击要求中谱加速度的差异,对不同舰载设备进行数值模拟计算,并通过虚拟约束边界模态方法,提出不同冲击环境下基础激励的多自由度系统响应的计算方法。数值分析及理论计算结果表明:冲击谱中谱加速度对舰载设备响应影响较小,而谱位移和谱速度对设备响应有较大影响,理论计算得到的多自由度系统响应与数值模拟结果较一致,同时在进行浮动冲击平台设计时可不考虑谱加速度对设备响应的影响。     

复杂边界附近气泡的动态特性研究

本文假设气泡周围流场为无粘、无旋、不可压缩的理想流体,基于势流理论,运用边界元法模拟近边界水下爆炸气泡的动力学特征,建立气泡、壁面以及自由面三者之间复杂耦合动力学模型,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(EMT),避免因网格扭曲而导致的数值发散,开发相应的三维计算程序,并与自由表面附近气泡运动的实验数据进行对比分析,计算结果表明本文的计算方法及程序具有较高的精度.在此基础上,用本文开发的三维程序模拟了单个及多个气泡与自由表面及圆筒等复杂边界的相互作用,其中包括水面漂浮结构和水下结构,气泡在自由表面及结构的联合作用下呈现出强非线性.本主文旨在为相关复杂边界附近气泡动力学特性研究提供参考.