基于场分离的水下爆炸流固耦合计算方法

基于谱单元方法对水下爆炸流固耦合机理进行了研究,针对总场模型中入射波在流体网格中传播会产生失真现象的问题,采用场分离技术,通过理论推导建立了水下爆炸流固耦合问题的散射场数值模型.经过编程计算比较得出,散射场数值模型有效解决了入射波在流体网格中传播的失真问题,比总场模型计算精度更高,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求...     

近自由面水下爆炸冲击载荷特性三维数值模拟

基于三维SPH 方法,对传统链表搜索算法进行了变光滑长度改进,并提出了具有较好稳定性的多相物质交界面的处理方法,模拟了三维无限域水下爆炸问题,验证了改进的三维SPH 方法模拟水下爆炸问题的可行性和有效性。在此基础上,建立了水下爆炸三维数值模型,模拟了近自由面水下爆炸过程,研究了冲击波传播特征、自由面下压力场和能量场特性以及水柱的产生过程。结果表明:自由面可将冲击波压力峰值和压力冲量最大衰减到1/3和1/7;爆深的增加会导致压力比和冲量比的等值柱面曲率变小,产生的水柱也逐渐由破碎的喷柱向高而窄的水冢过渡。     

水面舰艇舰员对水下爆炸冲击响应

通过建立站立、坐姿、行走状态下的人体集中参数模型,分析水下爆炸载荷作用下舰员的冲击响应,讨论了水下爆炸冲击强度与人体冲击损伤的关系,并依据常用的损伤标准进行损伤程度的评估,为水面舰艇舰员冲击防护提供指导.     

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

水下目标在水下爆炸作用下冲击响应的时频特征

基于某水下目标的抗水下爆炸实验数据,利用小波变换良好的时频局部化性质对监测的水下目标内部装置冲击加速度信号进行时频特征分析,得到了不同频带上冲击信号振动分量的时间历程曲线和能量分布。结果表明,基于冲击信号小波时频特征分析的频带能量可以同时反映冲击振动的强度、频率和持续时间对目标损伤的影响,同时结合不同频带的时间历程曲线可以获得冲击波和二次压力波在不同频带上的分布和衰减的细节信息,由此可确定冲击波和二次压力波各自对目标毁伤的影响。     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

多相介质爆炸冲击响应物质点法数值模拟

为了解决当炸弹在近场爆炸时爆轰波驱动破碎的弹片共同作用于混凝土墙壁的过程中所涉及的多物理场计算和多相介质耦合分析等问题,利用物质点法(material point method, MPM)不需要考虑物质间的分界面、耦合条件自动满足等特点,应用无网格MPM法对两种类型的炸弹（带金属外壳和不带金属壳）产生的爆炸场、弹片破碎和混凝土墙壁的破坏进行数值模拟。数值结果表明,无网格MPM法是计算多相介质爆炸效应的一种有效的算法。     

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DYNA,对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量;重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。     

水下爆炸柱形高压气泡膨胀过程的RGFM和高精度格式数值模拟

为了对柱形装药水下爆炸高压气泡膨胀过程进行三维数值模拟,用level set方法追踪气水界面,详细描述了精确对柱形气泡进行level set建模;对于流场,使用Euler方程描述,并用高精度格式(五阶WENO和四阶R-K法)离散空间项和时间项;对于level set方程,使用五阶HJ-WENO离散;用RGFM处理气水界面附近网格节点。给出了水下流场不同时刻的压力云图、柱形高压气泡的形状演变以及流场中几个指定点的压力峰值。通过三维建模和计算验证,用RGFM结合高精度格式可以很好地对柱形高压气泡膨胀问题进行三维数值模拟,同时也可以较精确地追踪高密度比、高压力比的三维气水界面。计算结果表明,柱形高压气泡在膨胀过程中,形状逐渐向椭球形变化;位于固壁附近的柱形高压气泡受固壁反射波的影响,在固壁法线方向上的膨胀会受到抑制;双圆柱形高压气泡膨胀产生的冲击波,可以彼此抑制对方的膨胀。

     

水下爆炸冲击波的数值模拟研究

应用商业有限元程序MSC.DYTRAN数值模拟了球形药包在无限水域中爆炸产生的冲击波。通过和经验公式计算结果的比较,证明采用合理的计算参数和有限元模型能够较好地模拟水下爆炸冲击波的传播过程。通过调整水的状态方程参数,达到了提升冲击波峰值应力的效果,从而有效地降低了单元数量和计算时间。     

用改进的ghost fluid方法模拟强激波与界面的相互作用

为了解决原来的ghost fluid方法在计算强激波和界面相互作用时界面附近出现的速度和压力振荡问题,对原来的ghost fluid方法进行了改进,通过在界面处构造Riemann问题并求出界面的压力和速度,ghost fluid流体的压力和速度分别用界面的压力和速度代替,ghost流体的密度通过熵常数外推得到。改进的ghost fluid保持了原来的ghost fluid的简单性,对一维强激波与气-气、气-液界面的相互作用问题以及射流问题进行了数值计算,得到了分辨率较高的计算结果。     

Modified ghost fluid method for three-dimensional compressible multimaterial flows with interfaces exhibiting large curvature and topological change

In order to capture the material interface dynamics, especially under the impact of strong shocks, the key feature of the modified ghost fluid method (MGFM) is to construct a multimaterial Riemann problem normal to the interface and use its solution to define interface conditions. However, such process sometimes may not be easily or accurately implemented when the multidimensional interfaces come into contact or undergo significant deformations. In this article, a three-dimensional interface treating procedure is developed for a wide range of compressible multimaterial flows. It utilizes the MGFM with an explicit approximate Riemann problem solver to define interface conditions. More importantly, a weighted average technique is designed to optimize the treatment for interfaces exhibiting large curvature and topological change. This remedies two defects of the traditional approach in these extreme cases. One is that the normal directions of interfacial ghost nodes may not be easily calculated. The other is that the interface conditions may not be accurately defined. The numerical methodology is validated through several typical problems, including gas-liquid Riemann problem and shock-bubble/droplet interaction. These results indicate that the developed method is capable of dealing with interfacial evolutions in three dimensions, especially when interfaces undergo merger, fragmentation, and other complex changes.     

3D numerical simulation on fluid-structure interaction of structure subjected to underwater explosion with cavitation

In the underwater-shock environment,cavitation occurs near the structural surface.The dynamic response of fluid-structure interactions is influenced seriously by the cavitation effects.It is also the difficulty in the field of underwater explosion.With the traditional boundary element method and the finite element method(FEM),it is difficult to solve the nonlinear problem with cavitation effects subjected to the underwater explosion.To solve this problem,under the consideration of the cavitation effects and fluid compressibility,with fluid viscidity being neglected,a 3D numerical model of transient nonlinear fluid-structure interaction subjected to the underwater explosion is built.The fluid spectral element method(SEM) and the FEM are adopted to solve this model.After comparison with the FEM,it is shown that the SEM is more precise than the FEM,and the SEM results are in good coincidence with benchmark results and experiment results.Based on this,combined with ABAQUS,the transient fluid-structure interaction mechanism of the 3D submerged spherical shell and ship stiffened plates subjected to the underwater explosion is discussed,and the cavitation region and its influence on the structural dynamic responses are presented.The paper aims at providing references for relevant research on transient fluid-structure interaction of ship structures subjected to the underwater explosion.     

求解无粘可压Euler方程组的虚拟流方法

首先将三阶Godunov型半离散中心迎风格式推广到四阶,之后再将该新的四阶半离散中心迎风格式与Level Set方法以及虚拟流方法结合起来,成功地处理了非反应激波问题和多介质流中的爆轰间断问题。由于Level Set函数能隐式地追踪到界面的位置,而虚拟流的构造能隐式地捕捉到界面的边界条件,故而本文的方法可以很自然地推广到多维情况。     

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。     

改进特征线法在水下爆炸正反演问题中的应用

介绍了改进特征线法及其在水下爆炸正反演问题中的应用。将改进特征线法用于TNT炸药球水下爆炸的模拟,并与实验数据和AUTODYN程序的结果比较,结果表明,改进特征线法求解水下爆炸问题具有较好的准确性,且能够捕捉到流场中弱冲击的传播。而后应用改进的特征线法将正问题中的冲击波参数作为初值条件,利用逆序差分格式,对水气界面做反演求解;将反演的水气界面与正问题中的界面作比较,结果显示两者在近场吻合良好。     

A CWENO ghost fluid method for compressible multimaterial flow

In this work a new ghost fluid method (GFM) is introduced for multimaterial compressible flow with arbitrary equation of states. In previous researches, it has been shown that accurate wave decomposition at the interface by solving a Riemann problem alleviates the shortcomings of the standard GFM in dealing with the impingement of strong waves onto the interface but these Riemann‐based GFM are not consistent with the framework of the central WENO scheme in which the emphasis is to avoid solving Riemann problems at control volume faces and enjoy the black box property (being independent of equation of state). The aim of this work is to develop a new GFM that is completely consistent with the methodology behind central schemes; that is, it enjoys a black box property. The capabilities of the proposed GFM method is shown by solving various types of multimaterial compressible flows including gas–gas, gas–water and fluid–solid interfaces interacting with strong shock waves in one and two space dimensions. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。