一种改进的中心-WENO混合格式

基于中心差分与WENO格式混合可以改善WENO格式耗散特性的思想,在理论推导的基础上,给出了一种用于激波捕捉计算的守恒型中心-WENO混合格式,该混合格式可视为三阶WENO格式和二阶中心差分格式的加权平均。在数值研究现有加权函数的基础上,给出了适用于该混合格式的加权函数,使其能够自适应地调整数值耗散以捕捉激波间断。数值结果表明:与三阶WENO格式相比,混合格式HY3_4能够降低数值耗散,更陡峭地捕捉间断,对复杂流场结构具有较高的分辨率;混合格式HY3_5对于包含高压比激波间断流场结构,能给出无振荡、低耗散的结果。     

热塑性纤维金属层合板舱内爆炸响应数值模拟

热塑性纤维金属层合板作为具备优良抗冲击潜能的复合材料,在舰船防护领域受到广泛关注。以热塑性纤维金属层合板为研究对象,基于封闭空间内爆炸载荷作用下层合板动态响应试验数据,以及通过代表体积元(representative volume element,RVE)方法计算得到的纤维板材料参数,开展了热塑性纤维增强金属层合板的数值模拟研究。通过试验结果与数值模拟结果的对比,验证了数值模拟方法的有效性,进一步分析了层合板的响应规律。所采用的热塑性纤维金属层合板舱内爆炸响应数值模拟方法对研究层合板抗冲击性能具有一定的借鉴意义,为相关研究的进一步开展提供了思路。     

截锥形弹体在液体介质中运动速度衰减规律分析

水面舰船被动防护体系中液舱的主要功能之一是阻止高速弹体（爆炸破片）对内部重要结构、设备和人员的威胁,高速弹体打击液舱的过程包含着复杂的能量传递与耗散。为了分析弹体形状对其在液体介质中运动速度衰减的影响, 开展了一系列不同头形因数的截锥形弹体在不同入水速度下弹体垂直侵彻液体介质过程的数值模拟,得到了垂直侵彻液体介质时弹体速度衰减特性,发现高速弹体在液体介质中运动的阻力因数与弹体形状和无量纲速度有关。基于对系列数值模拟计算结果的拟合分析,提出了计及头形因数的截锥形弹体 垂直侵彻液体介质时的速度衰减经验公式,通过开展数值算例分析验证了公式计算结果的可靠性。本文中提出的经验公式可实现对高速弹体在液体介质中速度衰减的准确快速计算,为舰船防护液舱结构设计提供一定的参考。     

改进的三阶WENO-Z+格式及其应用

为改善三阶WENO格式的耗散特性，提高其对流场结构的分辨率，在三阶WENO-Z+格式（WENO-Z+3）基础上，构造不同形式的全局光滑因子，提出一种改进的WENO-Z+3格式（NWENO-Z+3）.选取Sod激波管、双爆轰波碰撞、激波与熵波相互作用、双马赫反射等经典算例，考察该格式的计算性能，结果表明：NWENO-Z+3格式具有更低耗散性和更高的分辨率.数值研究柱形高压气体爆炸波在单舱室和连通舱室内部的传播过程及波系演化.结果表明：改进格式NWENO-Z+3能够较好地模拟包含高压比、高密度比的爆炸波系结构.     

密闭空间内爆炸载荷抑制效应实验研究

炸药在密闭空间内爆炸时的爆炸载荷与在敞开环境中有很大差异,在密闭空间内,TNT炸药的爆炸产物能够与周围空气充分混合并发生燃烧反应进而释放额外的能量,使密闭空间内的反射冲击波及准静态压力均明显增加。为探究不同气体环境对密闭空间内爆炸载荷的抑制效应,开展了3种不同药量的TNT分别在空气、水雾和氮气环境密闭空间内的爆炸实验研究,通过理论计算和实验对比分析了密闭空间内的爆炸载荷压力、温度及受载钢板试件响应特性。结果表明,水雾和氮气均能有效降低空间内的准静态压力和温度,对准静态压力的平均降幅分别为36.0%和51.7%,对温度的平均降幅分别为42.6%和40.3%;在水雾和氮气环境中的爆炸载荷作用下,钢板试件动态响应较空气环境中显著降低,其中160 g药量下,水雾和氮气环境中钢板试件的最终变形分别减少了15.9%和23.5%,氮气的减弱效果优于水雾;水雾和氮气均能及时有效地抑制封闭空间内的爆炸载荷,降低结构的损伤程度。     

剪切增稠液体液舱侵彻实验

为研究剪切增稠液体(shear-thickening fluid, STF)液舱对弹体的防护性能,制备特定规格剪切增稠液体,并开展弹体侵彻剪切增稠液舱实验研究。实验中采用高速相机记录液舱侵彻过程中空泡的演化情况,并测试得到了弹体的剩余弹速以及前后靶板变形数据。实验结果显示,剪切增稠液体可有效抑制液舱侵彻过程中空泡的增长,从而降低液舱结构的损伤程度。结合空泡扩展理论模型,并考虑液体密度以及黏度变化对空泡增长的影响,验证了剪切增稠液体在高速冲击下产生的局部密度增大以及固化现象是抑制空泡扩展的主要原因。此外,剪切增稠液体对弹体速度的衰减作用明显,且相同初始弹速下,剪切增稠液体液舱前后靶板变形明显小于水体液舱。将剪切增稠液体填充于舰船液舱防护结构,可显著提高液舱结构的防护性能。     

爆炸破片对防护液舱的穿透效应

分别对单发破片和双发破片同时穿透液舱的过程进行了数值计算，提出了破片穿透液舱的5个典型过程，分析了破片速度的衰减规律、液舱内板的响应及舱内液体中冲击波压力的叠加效应。结果表明:破片穿透液舱的过程中产生的冲击波和局部压力将作用在液舱内板上，双发破片打击时液体内部产生的冲击波有明显的叠加效应，高压区域的位置与破片间距有关，冲击波压力峰值和液舱内板受到的压力大于2倍的单发破片打击情况。     

基于饱和响应时间的封闭空间内爆炸载荷等效方法研究

针对舱内爆炸载荷形式复杂、作用时间长、缺乏有效的简化描述方法的问题，首先采用显式动力学计算程序开展了内爆载荷作用下钢板动态响应的数值计算，在与试验结果对比验证的基础上分析了金属板的内爆载荷饱和冲量。通过对216种不同爆炸载荷加载时长与金属板响应关系的分析，提出了内爆炸载荷作用下结构最大变形所对应的饱和时间计算经验公式，并给出了饱和时间的无量纲系数建议值。考虑到内爆载荷初始冲击波的影响，结合爆炸载荷饱和作用时间的规律，提出了封闭空间爆炸载荷的矩形载荷等效方法，对比了18组简化载荷与耦合载荷分别作用下钢板的动力响应，验证了等效方法的有效性。     

舰船舷侧防护液舱舱壁对爆炸破片的防御作用

针对破片撞击液舱外板,建立分析模型探讨背水靶板的穿甲过程。以能量分析为基础,根据破片 穿甲的运动方程和德玛尔模型,推导破片穿透背水靶板后的剩余速度公式。根据给出的剩余速度公式,计 算不同初始速度(1.0~1.6km/s)的破片穿透背水靶板后的剩余速度,根据已有剩余速度公式计算破片以同 样的初始速度穿透背空靶板后的剩余速度,并用非线性动力学分析软件AUTODYN 对相应的破片穿甲过程 进行数值模拟。模拟结果能较好地与理论计算结果相吻合。与破片穿透空背靶板的情况相比,破片穿透背水 靶板后剩余速度降低更明显。破片初始速度越高,板后的液体对破片阻碍作用越明显,破片速度降越大。     

三阶WENO格式精度分析与改进

高分辨率激波捕捉格式对含激波流场的数值模拟具有重要意义。通过理论推导分析了WENO-JS3格式和WENO-Z3格式的精度，发现两种格式在光滑流场区域（包含极值点处）具有相同的理论精度且均低于三阶设计精度，WENO-Z3格式由于增大了非光滑模板的非线性权重使其计算精度有所提高。在理论推导的基础上，提出了WENO-Z+3格式及其改进格式（WENO-Z+3P1和WENO-Z+3P32），且改进格式在光滑流场区域能满足所设计的三阶精度要求。选用一维平面黎曼问题及双马赫反射等经典算例，验证了本文提出的WENO-Z+3格式及其改进格式相较其他格式具有耗散低和对流场结构分辨率高的特性。