刚性柱附近浅水爆炸荷载特性研究

刚性柱附近浅水爆炸时冲击波传播、气泡射流受多种因素影响。考虑水面、水底、刚性柱与水下爆炸冲击波及气泡的耦合作用,基于LS-DYNA有限元软件,建立浅水爆炸全耦合模型,通过经验公式验证有限元模型的正确性。研究表明:采用炸药直径1/3～1/2中心渐变网格能够较好地保证数值模拟精度。在冲击波传播阶段,刚性柱迎爆区冲击波峰值上升并产生切断现象,冲击波下降段被"截断",而背爆区冲击波峰值衰减约50%,同时正压作用时间增加;在气泡脉动阶段,气泡在收缩阶段产生指向刚性柱的气泡射流,当刚性柱与炸药之间的距离约为一个气泡半径时,刚性柱附近的脉冲荷载增幅最大,脉冲荷载最大测点水深较爆心上移。     

不同水底介质对有限域中装药沉底爆炸特性的影响

通过开展装药沉底爆炸原理性实验研究,得到了不同水底条件对装药沉底爆炸气泡运动和冲击波压力的影响规律:沉底装药水下爆炸气泡通常呈半球形,依附在水底并同时急剧膨胀达到最大半径,随后气泡做收缩运动并连带水底介质颗粒迅速上浮,同时形状发生显著变化,如在石底和泥底时气泡在水底射流的作用下呈蘑菇状上浮,砂底时气泡则呈现出柱状上浮、未出现明显脉动运动即已坍塌破裂;沉底爆炸与水底介质发生强烈耦合作用而形成不同程度的反射波,通常水下石底的反射冲击波较泥底和砂底更强烈,且一般迭加后的冲击波峰值压力高于入射波阵面压力;不同水底介质条件下,装药与水底发生的强烈耦合作用均对水底造成强冲击破坏。     

港池环境近水面水下爆炸特性及其毁伤效应

为研究港池环境近水面水下爆炸载荷及其对码头结构的损伤特性,设计了一种典型码头结构,并构建港池环境,运用LS-DYNA程序开展水下爆炸数值模拟研究,对爆炸现象、荷载特性、结构动态响应和能量吸收特性4个方面进行了详细研究,分析了边界、比例爆距等参数的影响规律。结果表明:爆炸气泡脉动主要受到码头结构边界和水面的影响,水底和有限港池内的流体运动对其亦有一定影响;冲击波荷载以比例爆深为中心呈垂向对称分布,气泡脉动荷载主要分布于比例爆深以下位置;结构变形和毁伤主要在冲击波传播阶段形成,气泡脉动和射流的二次毁伤效果较弱;混凝土和沉箱内填土是主要能量吸收部分。     

距离参数对浅水中气泡运动影响规律的实验和数值模拟

当爆炸气泡在浅水中运动时,同时受到自由面和水底壁面的作用而产生极其复杂的水面现象,气泡的运动特性与在自由场中或单一边界附近处爆炸相比会发生很大变化。为探究其规律,通过电火花诱导气泡实验,利用高速摄影技术对气泡与组合多边界的相互作用进行了研究,总结了自由面距离(γ_f)和壁面距离(γ_w)对气泡运动和水冢类型的影响。并用OpenFOAM进行了数值模拟,分析了距离参数对射流载荷的影响。结果表明:自由面距离参数较壁面距离参数对水冢类型影响更大;射流速度随自由面距离的增大而减小,在0γ_w2时,射流速度随壁面距离的增大先减小后增大;壁面压力与距离呈负相关,射流冲击面积与距离呈正相关。     

水下爆炸特性的一维球对称数值研究

 应用数值模拟方法对水下爆炸产生的诸如气泡脉动规律、脉动周期、水中冲击波压力的变化等特性进行了研究。给出了不同装药水下爆炸产生的气泡半径脉动的一些规律、脉动周期变化规律、气泡与水交界面处的压力曲线、爆炸产生的水中冲击波压力和速度的变化等结果。     

深水域近水面水下爆炸水柱形态及演变实验研究

 为研究不同起爆深度的水下爆炸水柱形态及演变特征,进行了1 kg球形RDX装药在不同起爆深度下的海上爆炸实验,通过高速摄像机记录装药起爆后水柱的形成和成长过程,获得了喷射水柱形态的演变特征以及水柱高度、直径、水柱突出水面时间等参数的变化规律,并与Cole、Hole和Swisdak等人的研究结果进行对比分析。研究结果表明：对于深水域近水面水下爆炸,水柱以垂直喷射形态为主,当气泡在膨胀阶段到达水面时水柱存在微弱的径向飞散现象;水柱最大高度随起爆深度呈脉动变化,水柱直径随起爆深度线性减小;Swisdak关于水柱最大高度的计算公式不适用深水域近水面水下爆炸情况。     

铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响

为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。     

柱形装药水中爆炸气泡的形态演变

 采用高速摄影方法在实验水箱中获得了长径比为3.35~6.75的柱形PETN炸药水中爆炸气泡脉动的图像,进而结合真实的爆轰过程和Rayleigh气泡运动方程,研究了气泡的形态演变规律。研究结果表明,柱形装药在水中爆炸时,形成的初始气泡的形状为非球对称形,这种非对称特征随长径比的增加而增大。气泡表面的运动也表现出明显的非球对称特征,气泡表面在装药径向的膨胀运动呈指数衰减,在装药轴向两端的膨胀运动更接近于分段线性衰减。气泡表面的不对称运动与柱形装药水下爆炸的能量输出结构不均有关,与冲击波的有效能量分布规律是相似的。     

顶部浸没管口气泡生成特性实验与数值模拟

利用高速摄像机获得顶部浸没方式下管口处气泡膨胀脱离过程,对比分析了管径、气体流量和管口浸没深度对气泡脱离直径和膨胀脱离时间的影响规律;运用三维流体体积(VOF)模型,模拟研究了气泡膨胀脱离过程中气泡膨胀脱离时间、脱离直径和气泡形态的变化规律,分析了气液湍动能和流场速度的分布变化规律。经过对比,实验结果与模拟结果一致。研究结果发现,气泡膨胀脱离时间随管径的增大而增加;随液体密度的增加而减小;随气体流量增大而降低,但降低速率逐渐减小.气泡脱离直径随气体流量的增加而增加且存在气泡脱离形态变化点;随管口浸没深度和液体密度的增加呈现下降趋势。气泡长短轴比随液体密度增大而增大,而随膨胀脱离时间的增加呈现降低趋势.     

一种水中爆炸气泡脉动实验研究方法

 在2 m×2 m×2 m的实验水箱中开展小当量PETN炸药水中爆炸气泡脉动实验时,利用弹性波从声阻抗高的物质传入声阻抗低的物质时的“减震缓冲”原理,采用在水箱壁贴低声阻抗材料的方法,有效降低了水箱壁反射冲击波对气泡脉动过程的影响,获得了清晰的气泡脉动过程图像、气泡水射流形成过程图像和气泡脉动压力曲线。将水箱实验结果与8 kg TNT当量爆炸水池实验结果对比,得到的最大相对误差仅为5.1%,验证了水箱实验方法的准确性,为炸药水中爆炸气泡脉动现象研究提供了一种简便有效的实验方法。     

水下爆炸气泡脉动周期的简便计算方法

将爆轰产物状态方程与气泡运动方程相结合,提出了一种水下爆炸气泡脉动周期的数值计算方法,能够快速计算不同炸药水下爆炸的气泡脉动周期。结果表明:采用JWL状态方程与采用γ律状态方程的气泡周期计算方法相比,前者计算TNT炸药水下爆炸气泡脉动周期的误差更小,计算误差小于3%;通过对比RS211炸药水下爆炸实验结果,进一步验证了该数值计算方法对含铝炸药水下爆炸气泡脉动周期的计算同样具有良好的适用性。     

爆炸气泡与自由水面相互作用动力学研究

为探究爆炸水幕形态与水下流场变化之间的联系,设计了小当量RDX装药水箱内爆炸实验系统.采用两台高速录像机同步拍摄了气泡和水幕形态的演变过程,获得了三种典型气泡形态和六种典型水幕形态.通过观察气泡-水面-空气之间的流场变化和理论分析,揭示了六种形态水幕的演变规律及其形成机理,并与电火花形成气泡实验结果进行了对比分析.通过对不同比例深度条件下的气泡横向半径、纵向半径、膨胀时间、脉动周期、气泡边界运动过程等的统计分析,揭示了近水面水下爆炸形成气泡的动力学过程.     

流体机械微气泡发生器的结构优化研究

本文基于CFD技术对文丘里式微气泡发生器进行了研究，分析了微气泡发生器内流动特性及微气泡在管内扩散段的发展过程，得出气泡在湍流剪切作用下逐渐破碎。同时，分析了喉部、渐扩角对气泡发生器发泡性能的影响规律，通过实验对模拟结果进行了验证。结果表明：随着喉部内径的增大，气泡粒径呈逐渐增大趋势，入口压力也逐渐增大；随着扩张角的增大，气泡粒径呈先减小后增大的趋势；改变喉部结构形式，当采用阶梯喉部结构时，气泡粒径更小。     

气泡雾化喷嘴喷雾平均直径在下游流场中的分布

文利用激光衍射粒度仪对气泡雾化喷嘴下游流场进行了实验研究,主要分析了雾化颗粒直径随径向和轴向距离变化的趋势．由于喷嘴出口处气液两相流型和颗粒自身重量的影响,液雾颗粒沿径向呈现非轴对称分布;而液雾颗粒直径随着轴向距离的增加呈现先减小、后增大的趋势,颗粒直径的减小是大量气泡爆炸的结果,而后的增加则是由于颗粒之间的相互粘结造成的。     

环境温度对多相混合物爆炸特性影响的实验研究

为了研究环境温度对以铝粉、乙醚、硝基甲烷为原料的气液固多相混合物爆炸特性的影响,利用20 L球型爆炸罐,在不同环境温度(20～50℃)下,实验研究了温度变化对混合物的爆炸超压、最大爆炸压力上升速率和爆炸下限的影响。结果表明:实验工况下,乙醚的爆炸特性参数随温度升高而降低;铝粉的爆炸特性参数受温度影响较小;气液固多相混合物的爆炸压力随温度升高略微下降,最大爆炸压力上升速率先升后降,存在一个最佳浓度配比使爆炸威力最佳;气液固多相混合物的爆炸下限随温度升高而下降,在绝大部分易挥发物质汽化后,混合物下限趋于稳定。     

运动状态下聚能战斗部侵彻披挂反应装甲靶板的数值模拟

运用LS-DYNA有限元程序模拟了不同横向飞行速度(150、200、300、400、500m/s)和侵彻角度(30°、45°、60°)情况下聚能战斗部对披挂反应装甲后效靶板的侵彻过程,讨论了射流所受干扰情况及其对后效靶板的侵彻结果。研究结果表明:当侵彻角度一定时,射流对靶板表面的切割长度随速度的增大而增大,且在侵彻角度为30°时增大速率最快;但射流侵彻深度随速度的增大而减小,且在侵彻角度为60°时减小速率最慢。当飞行速度一定时,射流对靶板表面的切割长度和侵彻深度均随侵彻角度的增大而减小,且表面切割长度降幅随速度的增大呈先增大后减小的趋势,在速度为300m/s时,降幅最大,为59.6%;而侵彻深度降幅随速度的增大呈先减小后增大的趋势,在速度为350m/s时,降幅最小,为39.3%。最后通过理论方法分析了数值模拟结果,论证了数值模拟方法的正确性。     

不同沙粒底面下气泡脉动特性实验研究

通过高速摄影系统对电火花气泡与不同沙粒底面间的相互作用进行了实验研究,并改变气泡与沙粒底面之间的距离.实验结果表明:气泡在与沙粒底面的相互作用中会产生两种明显不同的现象,即形成与近刚性壁面类似的气泡射流以及“蘑菇状”气泡,“蘑菇状”气泡撕裂形成两个气泡,随后产生两个反方向的沿轴线方向的射流.沙粒底面边界具有刚性与弹性两种特征.另外,随着气泡与沙粒底面之间的距离d的增大,气泡脉动周期先增大然后减小,存在气泡脉动周期峰值.对于不同的沙粒底面边界,出现气泡脉动周期峰值的距离d随着沙底粒径的增大而越小.     

纳米通道内超疏水性表面气泡的运动

疏水表面纳米气泡的运动有重要的应用价值和研究意义。本文采用分子动力学方法,模拟了纳米通道壁面为超疏水性时壁面上气泡的运动状况。在质量力驱动下,随着外界驱动力的增大,两壁面上的气泡被逐渐拉长,同时逐渐变得扁平;前端"接触角"逐渐增大,而后端"接触角"逐渐减小。纳米通道内疏水性表面的纳米气泡随着外部驱动力的变化呈现出不同的形态,变化程度随着驱动力的增大而增大。在不同驱动力作用下,两个气泡总是保持相同的速度,气泡的速度与外力驱动的大小呈线性增长趋势。随着外力的增大,边界层及通道中心速度皆呈现增大趋势。     

爆炸信号中气泡脉动去除方法及其应用

水下爆炸声源激发的声信号包括冲击波和气泡脉动,气泡脉动严重干扰冲击波的传播特性。当气泡脉动的幅度小于冲击波的幅度时,通过对此类混合爆炸信号进行复倒谱分析,提出了基于卷积型的爆炸信号模型的同态解卷积气泡脉动去除方法,其中,针对同态滤波系统中通常采用的“梳状”滤波器会在倒谱的尖峰处产生不连续点的问题,采用了对尖峰附近的采样点进行多项式函数拟合,并根据拟合函数对尖峰采样点插值的改进型滤波方法。数值仿真和实验信号的处理及分析表明,应用该方法可以明显消除爆炸信号自相关曲线中由气泡脉动造成的对称次尖峰,并在信号的时频分布图中再现冲击波的简正波特性。这为进一步利用爆炸声源研究海洋信道的声传递函数和反演海洋环境参数提供了技术途径。