水下爆炸气泡三维动态特性研究

摘要

水中结构在遭受水下爆炸作用时，在各种程度上都会受到水下爆炸气泡载荷的破坏作用，气泡运动引起的滞后流以及脉动压力引起结构的总体破坏，气泡坍塌形成的射流，引起结构的局部破坏。近年来的研究表明，气泡载荷对水中结构物造成严重的损伤，气泡与自由表面、结构等相互作用成为目前国际上研究的热点，但仍有许多现象和本质没有被揭示。为此，本论文从基本现象入手，重点研究气泡在流场中的膨胀、坍塌、回弹、迁移以及射流形成等重要动力学行为，结合实验数据研究气泡与自由表面、复杂弹塑性结构的相互作用，旨在揭示气泡与复杂界面的耦合特性及其对结构的毁伤机理。 本文从理论分析、实验技术、数值方法等方面回顾了国内外关于气泡动力学特性研究进展。且重点综述边界积分法(BIM)及其相关技术在气泡动力学特性模拟中的应用与发展，回顾讨论气泡模拟的发展过程及其关键技术；最后综述了近边界气泡的研究方法及进展，并在上述基础上提出了一些尚需进一步解决的问题，为指导本文的后续工作奠定了基础。 本文基于势流理论分别建立了轴对称及三维气泡动力学模型，包括平面单元和曲面单元，用边界积分法求解，得到气泡及其它边界的变形及位置。在计算奇异积分时，给出了几种不同的方法，如利用Green公式的积分性质等通过重构双层位势的主值积分消除双层奇异积分的奇异性。再如，利用平面单元的几何特性消除奇异性，并对此进行了讨论，给出了计算引起的误差，为边界积分法中奇异积分的计算提供了参考。 在环状气泡阶段，本文在前人研究成果的基础上分别建立了轴对称涡面模型、轴对称涡环模型以及三维涡环气泡模型。对比不同模型的优缺点及其适用范围，总结了环状气泡模型建立的详细步骤及其必须注意的关键技术，且在气泡运动模拟过程中引入数值光顺技术及弹性网格技术，避免因网格扭曲而导致的数值发散。最终开发全套可视化轴对称及三维气泡动态特性模拟程序，该程序用于解答在各种设想情况下，有关气泡动态特性的问题。 基于本文开发的计算程序，分析了不同模型、不同单元类型的计算精度，以及网格、时间步等因素对计算结果的影响，验证了本文数值方法的稳定性。分别将轴对称模型及三维模型与Rayleigh-Plesset方程的精确解及实验数据、实验照片进行了对比分析，分析表明，计算结果与Rayleigh-Plesset模型及实验数据吻合很好。并分析了气泡在重力场中的运动特性，计算出气泡运动引起滞后流速度及压力随时间的变化。在此基础上，专门研究了浮力参数δ、强度参数ε、气体参数γ等特征参数的变化，对气泡的周期、射流速度的影响，此外，本文还研究了药量和水深对气泡动态行为的影响，并总结了规律。本文系统地研究了近自由面气泡的动态特性，包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象；距离参数γ，、浮力参数δ、强度参数ε对气泡动态特性的影响；多气泡与自由面耦合作用研究，包括同相气泡与异相气泡的相互作用研究等。在研究过程中，讨论了基于开尔文冲量理论的Blake准则的适用范围，并解释了Blake准则失效的原因。此外，本文还发现多气泡特别是异相气泡之间存在强烈的抑制效应。 从气泡与壁面相互作用的基本现象入手，基于本文开发的程序系统地研究了，当弱浮力与强Bjerknes力，强浮力与弱Bjerknes力以及浮力与Bjerknes力相等时，刚性壁面附近气泡的动力学特性，其中包括水平壁面及倾斜壁面，并将各种工况的计算结果与Blake准则进行对比分析及讨论，得出偏射流方向及壁面压力与气泡的特征参数有密切的关系。此外，本文还模拟和讨论了气泡与结构、自由面三者之间的强非线性耦合作用。 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、弹塑性结构以及自由面三者之间，复杂耦合动力学问题的计算方法，并开发了全套三维计算程序，计算值与实验值之间误差在10％以内，且通过计算发现，气泡载荷具有不对称性，同时总结了滞后流的衰减及变化规律。应用本文开发的程序，对平板，圆柱筒等简单结构进行分析，计算了滞后流、脉动压力以及射流等载荷对结构的毁伤，包括有、无自由面等多种工况，计算结果表明，气泡载荷对结构造成巨大的毁伤，特殊工况威力更大。特别地，以水面舰船为例，将三维计算程序工程化，应用于复杂弹塑性结构，最终形成一套完整的适合于工程应用的，三维气泡与弹塑性结构耦合动力学分析程序，旨在为相关舰船气泡动力学研究提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2基本现象

1.2.1水下爆炸

1.2.2射流现象

1.2.3气泡能量

1.3研究方法及进展

1.3.1试验研究

1.3.2理论分析

1.3.3数值模拟

1.4近边界气泡研究综述

1.4.1刚性边界

1.4.2自由面

1.4.3气泡之间融合

1.4.4不同密度流体之间的界面

1.4.5弹性边界

1.5国内外研究综述小结

1.6本论文主要工作

本文的创新工作

第2章气泡动力学数值模型及计算方法

2.1引言

2.2基本理论与方法

2.2.1控制方程

2.2.2状态方程

2.2.3无量纲化

2.2.4初始条件

2.2.5积分公式

2.2.6积分步长

2.3轴对称数值模型

2.3.1常单元

2.3.2线性单元

2.4三维数值模型

2.4.1平面三角形单元

2.4.2六节点曲面三角形单元

2.5环状气泡模型

2.5.1轴对称模型

2.5.2三维模型

2.6节点速度及法线

2.7本章小结

第3章气泡动力学数值模型稳定性及自由场中气泡动态特性研究

3.1引言

3.2维持数值稳定性的关键技术

3.2.1三维光顺技术

3.2.2弹性网格技术(EMT)

3.3不同模型的计算精度分析

3.3.1轴对称计算模型的对比分析

3.3.2三维计算模型的对比分析

3.3.3三维模型与轴对称模型对比分析

3.4气泡在自由场中的运动分析

3.4.1轴对称气泡

3.4.2三维气泡

3.5计算值与实验值对比分析

3.5.1实验半径对比分析

3.5.2三维计算模型与实验值对比分析

3.6特征参数变化对气泡运动特性的影响

3.6.1浮力参数δ对气泡运动特性的影响

3.6.2强度参数ε对气泡运动特性的影响

3.6.3气体参数γ对气泡运动特性的影响

3.6.4药量和水深对水下爆炸气泡的影响

3.7本章小结

第4章近自由面气泡动态特性研究

4.1引言

4.2边界大小的收敛性分析

4.3计算值与实验值对比分析

4.4近自由面气泡环状回弹及水冢现象

4.5特征参数对气泡动态特性及水冢现象的影响

4.5.1距离参数γf的影响

4.5.2浮力参数δ的影响

4.5.3强度参数ε的影响

4.6针对近自由面的Blake准则讨论

4.6.1开尔文冲量(Kelvin-impulse)

4.6.2 Blake准则的讨论

4.7多气泡与自由面相互作用研究

4.7.1同相气泡的相互作用

4.7.2异相气泡的相互作用

4.8气泡群的相互作用研究

4.9本章小结

第5章近壁面气泡动态特性研究

5.1引言

5.2计算值与实验值对比分析

5.2.1远距离壁面

5.2.2近距离壁面

5.3气泡与水平壁面的相互作用

5.3.1 Bierknes力与浮力同方向

5.3.2 Bierknes力与浮力异方向

5.4气泡与非水平壁面的相互作用

5.4.1垂直壁面

5.4.2下倾斜壁面

5.4.3上倾斜壁面

5.5针对壁面的Blake准则讨论

5.6气泡与复杂壁面的相互作用

5.6.1水面漂浮结构

5.6.2水下结构

5.7本章小结

第6章气泡与弹塑性结构的相互作用研究

6.1引言

6.2流场中压力载荷及滞后流分析

6.2.1计算值与实验值对比分析

6.2.2流场中不同方位的压力对比分析

6.2.3流场中不同位置的滞后流对比分析

6.3边界元法(BEM)与有限元法(FEM)耦合

6.4气泡与简单弹塑性结构的相互作用

6.4.1圆形板模型

6.4.2圆筒模型

6.5气泡与复杂弹塑性结构(舰船)的相互作用

6.5.1中远场模型

6.5.2近场模型

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录