改进的气泡动力学模型在舰船抗冲击中的应用

摘要

气泡动力学是流体力学领域的一个经典问题，由于气泡在不同的环境下表现出不同的动态特性，在多个领域有广泛的应用背景，气泡动力学的研究也受到国内外学者的重视。水下爆炸气泡动力学作为其中一个重要的研究方向，能够为舰船抗爆抗冲击和水下武器毁伤机理研究提供必要的参考和依据。
　　本文首先从气泡动力学的应用背景和基本现象入手，并从理论、实验和数值三个方面对国内外的研究进展进行了综述，发现由于传统边界元气泡动力学模型在精度、稳定性和适用范围等方面的限制，无论在气泡动力学分析方法还是气泡动态特性的现象和本质方面，仍有很多关键问题有待解决。为此本文针对其中的典型问题，从理论和数值角度对传统的气泡动力学边界元模型进行改进，并将其应用到舰船抗冲击的关键问题研究中。
　　在不可压缩势流理论的假设下，推导了气泡动力学边界元方法的基本方程，建立了不同环境下的气泡动力学模型。针对传统模型中涡环模型的计算精度和稳定性问题，提出了新的诱导速度势积分方法，并对环状气泡初始的数值切割、涡环位置更新等数值过程进行了一系列的改进；在弹性网格技术的启发下，引入密度势函数来表征曲面网格局部节点密度，以此为衡准建立了密度势方法，来改善气泡运动过程中局部网格密度与变形不协调的问题。然后结合基于边翻转技术的曲面网格拓扑优化技术，提出了适用于气泡动力学的三维曲面网格优化方法，通过与其它不同方法的对比，检验了该方法的有效性，并体现了其优势。对于开域问题，利用立体角与涡环速度势等效原理，提出了双层位势的奇异积分计算方法，并分别针对开域壁面和开域自由面两种情况，修正了边界积分方程，以考虑未离散的远场边界的影响；然后针对自由面与结构交界处的过约束问题，采用“双节点技术”建立了考虑结构运动的流固交界处理方法。最后在势流假设下，分别针对浮体结构的刚性运动和弹性变形，采用辅助函数分解方法推导了与气泡和自由面的耦合运动方程，形成了考虑自由面非线性效应的气泡与结构流固耦合计算模型。
　　自由场和简单完整边界附近的气泡动态特性问题一直是气泡动力学机理研究的关注对象。采用本文改进的轴对称和三维气泡动力学模型，分别对自由场、自由面、刚性壁面附近的气泡脉动、射流以及环状气泡回弹等先行进行了模拟分析，并与实验结果进行了对比验证。尤其是三维环状气泡的计算结果与轴对称模型在气泡变形细节上达到一致，表明本文改进方法的数值稳定性和精度较传统方法有显著的提高。然后分析了竖直壁面和浮力联合作用下的非轴对称问题，发现气泡坍塌阶段产生的斜射流在环状气泡阶段被逐渐扶正，向垂直于壁面的方向发展。
　　为研究具有破口的舰船边界附近的水下爆炸对其冲击作用，系统地研究了背水和背空两种破损平板边界与气泡的耦合动态特性。对于背水破损平板边界，分析了对射流现象的产生机理，并研究了距离参数和破口参数对气泡运动的影响规律，发现距离较近时气泡运动由破口主导，而距离较远时则由壁面主导。同时对于超近距离下气泡与壁面融合的特殊现象，提出了流场分离模型代替传统方法求解，并分析了这一范围内的气泡运动特点。另一方面，对于背空的破损平板边界，发现由于边界的不连续性，使得自由面水冢的形态与完整边界下自由面水冢有明显的区别，呈现出显著的非线性，可产生多层的皇冠，甚至塔形水冢。而边界对气泡的影响则可看做自由面与壁面的联合作用。在研究中发现，当距离较近时，自由面边缘在气泡收缩阶段产生明显的空腔，可能与气泡发生融合，从而使其丧失大部分能量。这对于研究水下爆炸对具有破口的舰船表面的冲击问题具有一定的参考价值。
　　针对舷侧水下爆炸气泡对舰船的局部损伤效果，由于舰船舷侧与自由面相交，边界条件在此处发生突变，且其附近气泡受到多种力的作用，使其耦合过程十分复杂。本文分别讨论了无限大的倾斜壁面和圆形舭部两种舷侧形式附近的气泡运动，发现在自由面与外飘和内倾舷侧的交界处呈现出不同强非线性效应，对后期的自由面对舰船舷侧的砰击作用具有明显的影响。
　　由于气泡载荷的低频特性，会引起明显的刚体运动和低频的弯曲振动。对于刚体运动问题，除了前期的气泡载荷，气泡在自由面处破裂时兴起的波浪也会对舰船产生砰击，从而威胁其动稳性。针对这一问题，采用本文所建立的气泡与浮体结构的流刚耦合模型对二维情况下气泡及其破裂兴波作用下自由面浮体的刚体运动进行了研究，并分析了工况参数对其影响规律，总结了气泡在自由面兴波的毁伤区间。对于弯曲振动，幅值过大时威胁舰船的总纵强度，为此，本文在考虑自由面非线性效应、舰船初始静水弯矩和波浪作用下的总纵强度问题，并重点分析了各种因素引起的附加质量改变导致的船体梁总体响应变化，发现波浪对船体最终响应具有非线性的影响，舰船处于波峰的情况下结构响应随波幅的变化要明显比处于波谷时对波幅更为敏感，可以为舰船的抗爆抗冲击设计研究提供参考。

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第 1 章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 不同环境下气泡典型运动特性

1.3 研究方法及进展

1.4 国内外研究工作总结

1.5 本文主要研究工作

第 2 章 改进的气泡动力学模型及流固耦合方法

2.1 引言

2.2 传统水下爆炸气泡动力学边界元模型

2.3 改进的气泡动力学模型

2.4 改进的气泡与结构流固耦合动力学模型

2.5 本章小结

第 3 章 改进的气泡动力学模型验证与分析

3.1 引言

3.2 自由场中气泡动力学特性及模型验证

3.3 自由面附近气泡动力学特性及模型验证

3.4 壁面附近气泡动力学特性及模型验证

3.5 本章小结

第 4 章 破损船舶附近水下爆炸气泡运动特性研究

4.1 引言

4.2 气泡与背水破损平板边界耦合特性

4.3 气泡与背空破损平板边界耦合特性

4.4 本章小结

第 5 章 水下爆炸气泡与舷侧附近自由面耦合特性研究

5.1 引言

5.2 气泡在不同倾斜角度斜壁面附近与自由面耦合特性

5.3 气泡在圆形舭部附近与自由面耦合特性

5.4 本章小结

第 6 章 气泡及其破碎兴波对浮体冲击特性研究

6.1 引言

6.2 气泡与浮体非线性流刚耦合计算模型

6.3 流刚耦合运动模型验证

6.4 计算结果分析讨论

6.5 水下爆炸气泡与浮体相互作用的实验研究

6.6 本章小结

第 7 章 气泡与波浪对船舶的联合作用弯矩特性研究

7.1 引言

7.2 波浪中气泡作用下舰船总纵强度计算方法

7.3 静水中气泡对船体总纵弯矩特性分析

7.4 波浪对气泡作用下舰船总纵弯矩特性的影响研究

7.5 本章小结

结 论

需要进一步研究的问题

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