冲击波和气泡作用下舰船结构动态响应的数值模拟

针对水下爆炸载荷、瞬态流固耦合效应在舰船水下爆炸数值模拟中的困难,在现有水下爆炸载荷计算模型(Geers and Hunter)的基础上,结合边界元法,修正水下爆炸气泡载荷计算方法.针对用二阶双渐近法(the second-order doubly-asymptotic approximation,DAA2)在处理低频...     

气泡与弹性边界的相互作用研究

从气泡与弹性边界相互作用基本现象入手, 基于势流理论, 建立气泡与弹性边界相互作用的数值模型, 计及浮力与表面张力, 模拟弹性介质附近单个气泡的动态特性, 通过气泡周围压力场的分布来讨论蘑菇状气泡的成因, 数值结果与已有实验结果吻合良好. 讨论两个气泡与弹性边界的相互作用, 并通过与Robinson 和Blake的实验结果对比, 验证数值模型的正确性. 数值模拟发现, 浮力、弹性系数和密度比是影响气泡动态特性的重要特征参数.      

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.      

船体与设备一体化抗冲击分析

从主从系统耦合振动理论出发,基于数值实验手段,分别以船用增压锅炉、齿轮箱为研究对象,设计多种冲击输入对非一体化与一体化抗冲击分析例证进行数值计算,并将计算结果进行对比。研究结果表明,非一体化抗冲击分析方法割裂了设备与船体结构之间的耦合效应,不能精确再现船用设备实船冲击环境,中远场水下爆炸时非一体化抗冲击分析得到的设备响应结果偏大,中近场时结果偏小。建议中近场水下爆炸时肋位跨度较大的船用大型设备抗冲击性能分析采用船体与设备一体化抗冲击分析方法,若条件所限尚无法进行一体化分析,则应对非一体化抗冲击分析结果进行修正。     

Fusion dynamics of underwater explosion bubbles

Fusion of bubbles is a common and significant phenomenon in the nature. In this work, the potential flow theory and the boundary integral method are employed to simulate the fusion of underwater explosion bubbles. Based on the numerical and experimental results in the literature, a three-dimensional model of bubble fusion is established. A good agreement is shown between the numerical results and experimental data. Influences of characteristic parameters such as distance and depth are specifically investigated by using the developed three-dimensional program, resulting in favorable curves and conclusions. This work provides references for the relevant research on fusion mechanics and dynamic characteristics of bubbles.     

Numerical simulation of bubble breakup phenomena in a narrow flow field

Based on the boundary integral method, a 3D bubble breakup model in a narrow flow field is established, and a corresponding computation program is developed to simulate the symmetrical and asymmetrical bubble breakup. The calculated results are compared with the experimental results and agree with them very well, indicating that the numerical model is valid. Based on the basic behavior of bubbles in a narrow flow field, the symmetrical and asymmetrical bubble breakup is studied systematically using the developed program. A feasibility rule of 3D bubble breakup is presented. The dynamics of sub-bubbles after splitting is studied. The influences of characteristic parameters on bubble breakup and sub-bubble dynamics are analyzed.     

近边界三维水下爆炸气泡动态特性研究

模拟了近壁、近自由面的水下爆炸气泡的非线性动态特性,假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的,采用高阶曲面三角形单元离散三维气泡表面,用边界积分法求解气泡的运动,在计算奇异积分时通过重新构造双层位势的主值积分消除双层奇异积分的奇异性,得到更精确的结果,并通过合理的加权方法精确的求解边界面上各节点的真实速度,结合弹性网格技术（elastic mesh technique, EMT）得到优化速度,在整个模拟过程中不需要采用数值光顺。将本文的三维模型与轴对称模型进行的对比分析表明,两种模型计算结果吻合很好,并用三维模型模拟了气泡与自由表面及圆筒的相互作用,水下爆炸气泡在自由表面及圆筒的联合作用下呈现出强非线性。     

梢涡流场中气泡轨迹及形态数值模拟

针对气泡在舰船尾迹涡流场运动特性,根据其是否为尾涡所捕获,将数值模拟过程分为两个阶段:准球状运动阶段和非球状运动阶段．分别应用单向耦合质点粒子追踪法（PTM）和边界元法（BEM）模拟这两个阶段,将第1阶段结束的物理量作为第2阶段的初始条件,从而完成整个数值模拟过程．在已有数值研究结果和实验数据基础上,探讨空化发生条件,追踪尾迹空泡运动轨迹,模拟尾迹气泡的运动、变形、溃灭等,以及被尾涡捕获后的撕裂等运动特性,旨在为优化设计尾流场提供参考．     

狭窄流域内气泡破裂现象数值模拟

基于边界积分法建立狭窄流域内气泡破裂数值模型,开发相应的计算程序,分别模拟对称破裂与非对称破裂两类典型工况并与相应实验结果进行对比,计算值与实验值吻合很好,表明三维数值模型的有效性．从狭窄流域内气泡运动的基本现象入手,基于开发的程序系统地研究气泡的对称破裂与非对称破裂,在已有数值研究成果和实验数据基础上,提出气泡破裂的可行性准则,研究分裂后子气泡的动力学特性,并分析距离参数对气泡破裂特性及子气泡动力学行为的影响,总结相应规律,旨在为相关气泡破裂特性研究提供参考．     

水下爆炸气泡与复杂弹塑性结构的相互作用研究

计及结构的弹塑性,将边界元法(BEM)与有限元法(FEM)耦合提出了气泡与弹塑性结构耦合动力学计算方法,并开发了全套的三维水下气泡分析程序（UBA）,计算值与实验值之间误差在10%以内．以水面舰船为例,将三维计算程序工程化．并分析了水下爆炸气泡载荷作用下船体的弹塑性响应,从船体结构典型单元上的应力时历曲线可以看出,在气泡坍塌时出现应力峰值,证实了气泡坍塌压力及射流引起的压力对舰船等结构造成严重毁伤．从气泡与舰船的相互作用中可以看出,舰船低阶垂向振型被激起,在气泡作用下呈鞭状运动,同时舰船随着气泡的膨胀和收缩作升沉运动,通过本文的分析得到了适合于工程应用的规律及结论．