水下爆炸气泡射流载荷特性研究

摘要

气泡动力学不仅在传统工程领域而且在许多新兴领域内都具有广泛的应用，例如水下爆炸、海底资源探测（气枪气泡）、水利机械空化、船舶气泡减阻、超声波清洗、超声造影、靶向治疗等。气泡的运动规律和载荷特征是以上工程领域内所关注的核心内容。本文主要针对船舶与海洋工程领域内的水下爆炸气泡进行研究，以数值计算联合机理实验作为主要研究手段，并自主开发计算程序，重点考察气泡射流载荷特性，以及气泡与结构物的耦合作用规律。 本文首先对水下爆炸气泡基本动力学行为以及相关力学机理进行必要的阐述，然后从理论、实验、数值计算三个方面对气泡动力学的研究历程和进展进行综述，总结了现阶段气泡动力学领域的研究不足和难点：气泡射流后形成的环状气泡研究尚不充分，环状气泡撕裂后的运动特征仍属空白，近场/接触水下爆炸气泡射流载荷计算方法仍不成熟，自由液面对气泡载荷的影响规律认识不足，气泡与结构物（刚体与变形结构）的全耦合算法仍有待研究。针对以上不足，提出了拟开展的研究工作。 基于势流理论，采用边界积分法（BIM）模拟气泡射流前的动力学行为。气泡射流穿透后演变成环状气泡，而环状气泡的模拟精度决定了射流载荷的计算精度，为此，本文改进了经典的“涡环模型”解决环状气泡阶段的流场多值问题，从而更好的模拟环状气泡运动细节。环状气泡在一定条件下会发生撕裂现象，目前已有的数值方法并不能模拟环状气泡撕裂后的运动，若环状气泡撕裂时刻并未达到最小体积（对应气泡脉动载荷峰值时刻），那么BIM并不能预报完整气泡载荷。本文提出了“环状气泡撕裂模型”解决该问题，并通过多个实验验证了该模型的正确性，为了精细模拟气泡坍塌与回弹过程提供了理论基础。 在精细模拟气泡动力学行为的基础上，基于辅助函数法求解气泡载荷，并提出了“气泡载荷分解法”，将气泡总载荷分解成两部分：其一由气泡内部气体压力与外部环境压力不平衡所引起，在流场中基本按球对称分布，随爆距增加按1/r规律衰减，且时历变化规律与气泡内部压力保持一致，本文称之为“脉动载荷”；其二由气泡的运动所引起，在气泡射流前，该部分载荷为“滞后流载荷”，其峰值远小于脉动载荷；当气泡射流后，该部分载荷为“射流载荷”，射流会在砰击的局部区域产生比脉动载荷高数倍的压力，但是不在射流攻击方向的考察点受其影响不明显。本文探讨了特征参数对自由场气泡载荷的影响规律，以及自由液面的存在对气泡载荷的影响。发现气泡距离水面越近，气泡载荷峰值越小。若气泡初生水深H大于两倍气泡最大半径（Rm），则可以采用自由液面格林函数计算气泡载荷，否则需要直接离散自由液面，并计及自由液面非线性边界条件；若H>6Rm，则可以忽略自由液面对气泡载荷的影响。 采用壁面格林函数研究无穷大壁面附近气泡运动及载荷特征。发现气泡坍塌至最小体积时，壁面上的气泡脉动载荷达到峰值。气泡射流砰击至壁面后，在壁面中心形成驻点，压力迅速升高。气泡与壁面之间的水层对气泡射流载荷有较强的缓冲作用，距离参数（定义为：γ=d/Rm，其中d为气泡初生位置与壁面之间距离，Rm为气泡最大半径）在[1,1.4]范围内射流载荷下降最为明显。γ越小，环状气泡越容易发生撕裂现象，撕裂对气泡总体积的变化规律影响不明显，但是两个子气泡分别以不同速度坍塌或膨胀，其内部压力差异逐渐变大，若小环状气泡距离壁面更近，则会削弱气泡脉动载荷，反之对脉动载荷影响不明显。本文发现存在临界γc，当γ<γc时，气泡射流载荷峰值大于脉动载荷，反之则脉动载荷峰值大于射流载荷。此外，文中还探讨了其它几个重要的无量纲参数对气泡载荷的影响规律。最后，自由液面的存在仍会削弱壁面附近的气泡载荷，若不考虑自由液面效应且需要将载荷峰值的相对偏差控制在5%以内的条件是：气泡初生位置与自由液面的无量纲距离γf≥3。 当计及水中悬浮结构物的刚体运动，则气泡的强烈脉动与射流会引起悬浮体的运动，反过来，悬浮体的运动又会影响气泡运动。本文建立了气泡与水中悬浮体的全非线性耦合数值模型（包括轴对称模型和三维模型），采用辅助函数法对气泡载荷与悬浮体加速度进行解耦。本文“全耦合计算模型”相比传统“松耦合计算模型”提高了精度和稳定性。当悬浮球体半径大于气泡最大半径时，后者的计算误差在4%左右，但是悬浮球体半径小于气泡最大半径时，后者的计算相对误差急剧上升。此外，本文针对气泡“吞吐”悬浮体问题进行了特殊数值处理，数值结果与实验结果不管在气泡运动还是悬浮体位移方面都吻合良好。通过该模型本文讨论了不同无量纲参数对“气泡悬浮体耦合作用”的影响，以悬浮体响应与气泡载荷两个角度进行了讨论分析，发现球体半径约等于2Rm时，气泡在球体表面产生的射流砰击压力最高。最后文中还对有航速悬浮圆柱体与气泡在不同方位角、是否考虑自由液面效应的工况进行了计算和分析。 针对气泡与变形结构的流固耦合问题，本文基于有限元法和边界积分法，提出了气泡与变形结构全耦合数值算法，该方法能够同时对气泡运动和结构响应进行求解，不需要直接求解流体载荷，提高了计算精度。由于计算过程中每个时间步都需要改变结构质量阵，因此不能采用通用有限元软件求解结构响应，为此本文自主开发了线弹性结构响应求解器。基于该模型，本文研究了气泡与弹性结构的耦合作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 气泡动力学行为及相关力学机理

1.2 研究方法及进展

1.3 国内外研究综述小结

1.4 本论文主要工作

第2章 改进的气泡动力学理论与数值模型

2.1 引言

2.2气泡动力学基础理论

2.3 环状气泡撕裂模型

2.4 气泡载荷分解法

2.5 气泡与悬浮体耦合作用计算模型

2.6 三维气泡与变形结构耦合作用计算方法

2.7 本章小结

第3章 自由场中气泡载荷特性及影响因素研究

3.1 引言

3.2 自由场气泡数值模型

3.3数值计算结果与实验结果对比

3.4 载荷分解法的应用

3.5 药量和水深对爆炸气泡载荷的影响

3.6 无量纲参数对气泡载荷的影响

3.7 自由液面对气泡载荷的影响

3.8 本章小结

第4章 壁面附近气泡载荷特性及影响因素研究

4.1 引言

4.2 壁面附近气泡数值模型

4.3 数值计算结果与实验结果对比

4.4 无量纲参数对气泡载荷的影响

4.5 自由液面对壁面附近气泡载荷的影响

4.6 本章小结

第5章 轴对称悬浮体与气泡耦合特性及影响因素研究

5.1 引言

5.2 悬浮体与气泡全耦合轴对称数值模型

5.3 数值模型与实验对比以及敏感性分析

5.4 无量纲参数的影响

5.5 本章小结

第6章 三维悬浮体与气泡耦合作用研究

6.1 引言

6.2 悬浮体与气泡全耦合三维数值模型

6.3 数值计算结果与实验结果对比

6.4 方位角的影响

6.5 气泡与无航速圆柱体耦合作用

6.6 气泡与有航速圆柱体耦合作用

6.7 自由液面附近气泡与悬浮体耦合作用

6.8 本章小结

第7章 气泡与弹性结构耦合作用研究

7.1 引言

7.2 结构动力学数值模型

7.3 气泡与弹性结构耦合作用模型收敛性分析

7.3 传统松耦合方法与本文全耦合方法的对比

7.4 结构变形对气泡动力学行为的影响分析

7.5 环状气泡与弹性板的耦合作用

7.6 悬浮弹性球壳与气泡耦合作用研究

7.7 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