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。     

水下多点爆炸条件下的冲击波载荷特性

针对水下多爆源起爆的实战背景,开展了两点同时起爆条件下冲击波载荷特性的数值模拟研究。基于自研的多相可压缩流体计算程序,采用高精度的数值格式对流体控制方程进行离散求解。将数值模型计算的自由场水下爆炸的结果与理论结果比较,初步验证了数值模型计算的准确性与可靠性。利用该模型计算了典型工况下水下两点起爆工况,计算结果表明:两爆源对称面上压力相比单爆源线性叠加后的峰值压力增加12%~16%;两爆源垂直截面之间的压力存在双峰现象;而对于两垂直截面之外的测点压力也存在双峰现象,第1个峰值压力与单爆源线性叠加的峰值相等,第2个峰值压力要远低于单爆源线性叠加的峰值,峰值压力下降幅度可高达30%左右。研究结果能够为水下武器防护设计与威胁评估提供参考。