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。     

水中爆炸气泡脉动现象的实验研究

在实验水箱中采用高速摄影技术获得了炸药水中爆炸气泡脉动过程图像。实验结果表明:短长径比（1.05）PETN炸药水中爆炸产生的气泡形状近似球形,气泡脉动周期和半径随炸药质量的增加而增大。在膨胀阶段,气泡中心位置保持不变,随着体积的不断缩小,气泡上浮越来越明显。受重力影响,气泡下表面收缩速度高于上表面,在收缩至最小时下表面向上冲顶,气泡溃灭形成水射流。     

柱形装药自由场水中爆炸气泡的射流特性

为研究柱形装药水中爆炸气泡射流特性,采用高速摄影方法在实验水箱中对PETN药柱进行水中爆炸实验,初步获得了有关柱形装药自由场水中爆炸气泡运动的数据资料.研究结果表明:柱形装药自由场水中爆炸形成气泡的运动与球形装药的存在差别,药柱放置方式的变化也会导致水中爆炸气泡产生性质迥异的运动.当药柱水平放置时,气泡表面的运动呈非对...     

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。

     

舷侧近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

为探究舷侧近距离爆炸对水面舰船的毁伤效应,设计了大尺度舱段模型,并开展了舷侧近距离水下爆炸试验,试验后测量了舱段模型破坏范围及破坏模式、模型典型部位冲击环境数据、典型部位动态响应。综合对比可发现:(1)舷侧近距离水下爆炸下,在爆心区域可对舱段模型形成严重毁伤破坏,但毁伤范围有限,基本以局部破坏为主;(2)舷侧近距离水下爆炸下可形成较为明显的水射流载荷,主要是由气泡与非完整边界、自由面在耦合过程中形成的,与传统研究的气泡收缩失稳引起的水射流载荷形成机理存在一定的差异;(3)基于板格能量计算方法,建立了舷侧外近距离爆炸下舷侧爆炸破口计算公式,与试验结果吻合较好;(4)近距离爆炸下,舷侧外板的破坏模式与爆距存在较大的关系。本文的研究成果对舰船抗爆防护具有很强的指导意义。     

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。     

离心机水下爆炸缩比实验原理及数值研究

对离心机水下爆炸缩比实验方法进行探究,对离心机水下爆炸缩比实验的相似理论进行了推导,通过数值计算分析,探究了原模型、离心机缩比实验及常规缩比实验的冲击波载荷、气泡载荷以及气泡动力学行为。结果表明:常规缩比实验不能对气泡行为及垂直方向的近场载荷进行准确的预报,若要保证远场气泡脉冲峰值误差小于10%,则爆距需大于9.5倍气泡最大半径。而离心机缩比实验能够对原模型进行准确的预报,以小当量装药模拟大当量装药水下爆炸整个物理过程,且冲击波和气泡两个阶段完全相似。同时,水深也可以进行几何缩比,克服了常规缩比方法的缺陷。     

爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用

爆炸作用下围岩与被覆结构的动力相互作用对于合理确定防护结构荷载、科学设计被覆结构具有重要意义。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流-固耦合算法,对垂直爆炸作用下不同爆距、不同跨度的地下结构与围岩的动力相互作用进行了数值模拟,应用波动理论进行了动力相互作用力分析,讨论了相互作用动载计算公式在岩石结构中的适用性,得到了围岩与被覆结构的最大相互作用力变化规律。研究结果表明:在距拱顶1~25 m垂直爆炸作用下,14~25 m跨地下结构都发生了拱顶局部破坏,整个拱的混凝土均会产生震动裂缝;当爆距为4 m时,围岩与结构的动力耦合作用最大,可以作为确定最大荷载的依据。     

水下爆炸对沉箱重力式码头毁伤效应

通过开展不同爆距下水下爆炸对沉箱重力式码头模型毁伤效应试验,对水下荷载进行了采集分析,对毁伤因素、毁伤模式和毁伤机理开展了研究,初步讨论了爆距的影响。结果表明:试验中未形成完整的气泡脉动过程,荷载超压主要出现在冲击波传播阶段,爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波是主要的毁伤因素;水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤程度大、模式多、机理复杂,主要毁伤部位为迎爆面外墙、迎爆侧管沟、封仓板和面板;爆距越近码头毁伤越严重;当爆距过近时,爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收,迎爆面毁伤程度大幅增大,码头其他部位毁伤程度增幅放缓。     

不同边界条件下炸药水中爆炸的能量输出结构

针对不同边界条件下,炸药水下爆炸的能量输出结构,设置自由场、沉底、近水底和近水面等不同边界条件水下爆炸实验。结果表明,炸药在距水底、水面一定距离时爆炸,边界条件对冲击波影响较小,对气泡脉动影响较大;当炸药与水底距离小于1倍最大气泡半径处爆炸时,由于水底边界影响,不能形成完整的气泡脉动;当炸药在距水面小于1倍最大气泡半径处爆炸时,气泡直接溢出水面,不能形成气泡脉动压力;当炸药在距水面1~1.5倍最大气泡半径处爆炸时,部分气泡溢出水面,气泡脉动压力较自由场爆炸时小;气泡在膨胀和收缩过程中,由于气泡不断上升,水面对气泡脉动的影响范围要大于水底。     

水中钢板爆破水介质对装药量的影响

为分析水介质对水中钢板爆破装药量的影响,理论推导了钢板背衬水介质条件下,钢板爆破最小装药量与空气中钢板爆破最小装药量的倍数关系:最小倍数关系为3.76。数值计算了钢板背衬空气介质和背衬水介质情形下钢板爆破的最小装药量,其倍数关系在3.5左右,与理论结果相近,表明钢板背衬水介质或空气介质是决定装药量大小的关键因素。数值计算了装药在空气介质中及水介质中钢板爆破爆轰产物对钢板的冲量大小,结果接近,表明水介质对炸药爆轰产物的约束作用是影响水中钢板装药量的次要因素。     

包覆板材料为陶瓷时平板装药的防护性能

运用口径36mm的精密成型装药实验,研究了等效厚度相同的碳化硅和氧化铝陶瓷平板装药的防护性能,并与包覆材料为钢的平板装药进行了对比。运用LS-DYNA3D软件,对平板装药与聚能装药的作用过程进行了三维数值模拟。实验结果显示,对于此结构的平板装药,碳化硅和氧化铝陶瓷平板装药使聚能装药侵彻能力分别下降了88%和82%,优于钢板的防护性能。数值模拟结果显示,陶瓷包覆板从边缘至中心依次出现断裂和粉碎现象,钢板与射流后部作用为断续干扰,而陶瓷板为连续干扰。

     

Vortex shedding induced by a solitary wave propagating over a submerged vertical plate

Experimental study was conducted on the vortex shedding process induced by the interaction between a solitary wave and a submerged vertical plate. Particle image velocimetry (PIV) was used for quantitative velocity measurement while a particle tracing technique was used for qualitative flow visualization. Vortices are generated at the tip of each side of the plate. The largest vortices at each side of the plate eventually grow to the size of the water depth. Although the fluid motion under the solitary wave is only translatory, vortices are shed in both the upstream and downstream directions due to the interaction of the generated vortices as well as the vortices with the plate and the bottom. The process can be divided into four phases: the formation of a separated shear layer, the generation and shedding of vortices, the formation of a vertical jet, and the impingement of the jet onto the free surface. Similarity velocity profiles were found both in the separated shear layer and in the vertical jet.     

Impact of a hydroabrasive jet on material: Hydroabrasive wear

The wear of steel plates under the impact of a hydroabrasive jet was studied experimentally by varying the distance between the sample surface and the nozzle, the angle of impingement of the jet on the plate, and the abrasive concentrations in water and in the ambient medium (jet in air, submerged jet). The results are compared with available data on the structure of the jet and jet flow around an obstacle. It is shown that the addition of abrasive particles to the liquid can be used to study the liquid jet flow around an obstacle because the form of surface wear allows one to determine the region of impact of the jet core, the deceleration region, and the near-wall flow region before flow separation.     

钛/钢复合板爆炸焊接实验

以3mm 厚的TA2钛板和26mm 厚的正火态Q345R为材料,通过爆炸焊接实验,对钛/钢复合板爆炸焊接的动态参数进行了研究。结合复合板结合界面特征、复合板结合强度(剪切强度)以及界面波的金相组织,讨论了钛/钢爆炸焊接时获得高强度结合和规则的界面结合波状形态的条件。对于3mm 厚TA2与26mm厚正火态Q345R,该条件是动态碰撞角17,动态碰撞速度vp760m/s。根据界面波及基板轧制金相组织形态,分析了形成界面波的机理,认为射流阻碍复板连续碰撞基板是形成界面波的一个主要原因。     

The effect of a single vortex generator jet on the characteristics of a turbulent boundary layer

A flat plate experiment was performed in a water tunnel to determine the effects of a vortex generator jet on the characteristics of a turbulent boundary layer at various wall normal locations. The results show that the characteristic distributions of the turbulent fluctuation quantities are nearly unaffected by the induced vortex structures neither in the steady nor in the dynamic blowing case. The shear layer interaction between the turbulent main flow and the jet flow produces less turbulent fluctuations than it is expected from a turbulent free jet flow. Thus, the mixing process of this flow control strategy is based only on a large-scale momentum transport superimposed by the turbulent fluctuation quantities. This allows a separation of scales for physical interpretation and numerical simulations.     

大气/钢靶板交界处对平行入射聚能射流干扰的数值模拟

利用非线性动力学软件LS-DYNA,对聚能射流平行入射大气/钢靶板交界处的侵彻过程进行了数值模拟.通过分析数值模拟过程和结果,讨论了聚能射流头部速度和碰撞出口处横向速度的变化规律.结果表明:大气/钢靶板交界处不仅降低了聚能射流头部的轴向速度,而且使射流头部产生横向偏移,最大速度达到约1.8 km/s;后续射流横向偏移速...     

爆炸加载下金属缝隙射流定量诊断实验研究

爆轰加载下金属飞片缝隙处会有射流产生,金属缝隙射流的喷射速度可达数千米/秒,而其射流线密度只有几个mg/cm量级。采用高速摄影以及脉冲软X光照相方法对缝隙射流进行了动态观测和(半)定量测量,通过不同条件下的系列实验获得了金属射流喷射特性和射流质量随飞片材料、加载压力、缝隙宽度以及加载方式等的变化规律,通过实验数据分析拟合,初步给出了射流质量随各影响因素变化的经验型定标率模型。