复杂边界条件近场水下爆炸气泡运动特性实验研究

摘要

舰船近场水下爆炸中，气泡载荷是造成舰船毁伤的主要因素之一。气泡的运动形式往往受到边界条件的显著影响，不同的边界条件下气泡将呈现不同的脉动特性，进而导致不同的气泡载荷。为了分析复杂边界条件下水下爆炸气泡的脉动和载荷特性，本文采用实验的方法对多种边界条件下近场水下气泡进行研究，通过高速摄影以及对流场、结构表面压力和结构应变响应的测量，系统考察了复杂边界条件下近场气泡的脉动和载荷特性。真实水下爆炸气泡和实验室尺度下的气泡做不到完全相似，因此本文主要从机理层面针对水下爆炸气泡开展实验研究。
　　本文实验中气泡生成方法包括低电压水下放电和小当量水下爆炸两种，通过调整实验气压来改变浮力的大小。根据浮力对气泡脉动特性影响的显著程度，分别进行微浮力气泡脉动和显著浮力气泡脉动实验，结合不同边界进行研究。实验中的边界条件主要包括自由场、简单边界(自由面、刚性壁面)、组合边界、舭部曲面刚性边界、带有破口的非完整刚性边界、弹塑性板架结构边界以及同步多气泡之间互为边界条件。由于浮力在不同工况中始终存在，因此首先对不同浮力作用下气泡脉动特性的变化进行了研究。采用减压装置降低水面气压，获得不同的浮力参数；记录并分析气泡半径、边界位移、周期、射流速度和形成时间等参数随浮力参数的变化。在此基础上，研究了单边界近场气泡在浮力和边界条件共同作用下的脉动和载荷特性，主要考虑了浮力与Bjerknes效应处于同向、反向和垂直三种状态，并分析了不同脉动特性对气泡载荷的影响。此外还通过实验结果给出了自由面和壁面两种边界条件下浮力与Bjerknes效应反向时气泡坍塌和射流方向发生改变所需满足的临界条件。同时也对单边界微浮力气泡脉动进行了实验研究，发现了二重射流和气环等特殊气泡运动特征。此外还对自由面不同类型的水冢现象进行了研究。此基础上，对复杂边界近场气泡脉动特性进行研究。首先研究了舭部弯曲边界气泡脉动，根据气泡与边界的距离给出了三种典型气泡脉动形式，分析了各自载荷情况。对于带有破口的非完整舭部边界，考察了破口尺寸和气泡到破口中心距离两个主要参数对气泡脉动特性的影响，发现了背离壁面的射流等特殊气泡运动特征。根据气泡形态将气泡脉动分为五类，并分析了载荷特性。将破口平面边界近场气泡脉动特性与脉动压力载荷等与完整边界情况进行对比，总结了带有破口的非完整边界对气泡脉动和载荷特性的影响。在组合边界气泡实验中，考察了竖直壁面与自由面、水平壁面与自由面以及两平行壁面三种工况下的近场气泡脉动特性和载荷特性。对于处于自由面和壁面间的气泡，研究了其形态、周期以及自由面水冢运动形式与气泡到两个边界的无量纲距离之间的关系；考察了两平行壁面间小当量水下爆炸气泡的环状射流、撕裂等行为特征以及相应的载荷特性。实验中采用双层底局部板架结构作为弹塑性边界，通过高速摄影给出了气泡在弹塑性边界不同位置处近场脉动特性；通过压力传感器研究了气泡对弹塑性边界不同位置的载荷特性；通过应变片测量弹塑性板架应变，对比了弹塑性板架在不同工况下同一位置、同一工况下不同位置的应变响应，测点位置包括板架结构板格中心、边缘和角隅；结果表明板架结构由于气泡载荷产生的应变响应在一定条件下与冲击波作用下相当甚至更高。在多个气泡的相互作用中，一个气泡周围的其他气泡可以视为一种特殊的边界条件。本文对等间距同步脉动的2-4个气泡进行了实验研究，包括微浮力的水下放电气泡和显著浮力的水下爆炸气泡，总结了气泡发生融合和独立脉动两种情况下的气泡脉动特性，给出了三气泡相互作用中中央气泡撕裂以及气泡融合后的相对射流等特殊现象。此外，还将同步气泡脉动特性与气泡在刚性边界附近的脉动特性进行了对比，并分析了多气泡脉动中的载荷特性，为多发武器水下爆炸对舰船的毁伤提供参考。除实验研究外，本文利用轴对称以及三维边界元方法对实验中的部分工况进行了模拟，数值结果与实验结果吻合良好。通过数值模拟给出了实验中难以直接观测的射流等脉动特性，进一步完善了对复杂边界条件下气泡脉动和载荷特性的分析。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究方法和进展

1.3 国内外研究工作总结

1.4 本论文主要工作

第2章 复杂边界近场水下气泡运动实验方法

2.1气泡生成原理

2.2实验设备

2.3实验步骤

2.4数据处理

2.5 本章小结

第3章 刚性平壁面和自由面近场气泡实验研究

3.1 引言

3.2 浮力作用下气泡运动特性

3.3 刚性平面壁面近场气泡运动特性

3.4 近自由面气泡运动特性

3.5 本章小结

第4章 非完整边界近场气泡实验研究

4.1 引言

4.2 平面破口边界近场气泡运动特性

4.3 舭部曲面破口边界近场气泡运动特性

4.4 本章小结

第5章 组合多边界近场气泡实验研究

5.1 引言

5.2 竖直壁面自由面组合边界

5.3 水平壁面自由面组合边界

5.4两平行壁面组合边界

5.5本章小结

第6章 弹塑性壁面近场气泡实验研究

6.1引言

6.2弹塑性壁面试件

6.3气泡脉动特性和载荷特性

6.4板架结构应变响应

6.5本章小结

第7章 同步气泡相互作用实验研究

7.1 引言

7.2生成同步气泡的实验方法

7.3同步气泡相互作用实验结果

7.4 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