波浪与水下爆炸气泡脉动载荷联合作用下船体梁的响应特性北大核心CSCD

[目的]舰船在执行任务的过程中有可能因同时遭受波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用而使船体响应发生“叠加效应”,导致总强度的损失,因此需要探索水下爆炸气泡脉动与波浪联合作用时船体梁的动力响应规律。[方法]首先,采用理论分析的方法建立船体梁的简化模型,并对水下爆炸气泡脉动载荷与波浪载荷进行求解;然后,基于Hamilton原理,分别推导两端自由船体梁在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷单独作用及联合作用下的运动微分方程;最后,基于对运动微分方程的求解,分析船体梁的自由振动响应在与外载荷组合的3种工况下简化模型的运动响应。[结果]结果显示,在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用下,船体梁的运动响应相比2种载荷单独作用时运动响应的线性叠加值增大了15%。[结论]所做研究可为舰船结构在联合载荷作用下运动响应分析的计算程序开发提供参考。     

基于边界元方法的气泡脉动诱导壁压特性

针对圆柱壳结构在水下爆炸气泡脉动载荷作用下的诱导壁压特性,采用Geers-Hunter模型得到气泡脉动运动,在势流假设下采用边界元方法建立了水下爆炸气泡脉动载荷壁压计算方法,通过对不同水下爆炸工况进行计算分析发现:圆柱壳表面的气泡诱导壁压有明显的绕射现象,在爆距较小时迎爆面气泡脉动诱导压力峰值要远大于背爆面压力;在圆柱壳轴向上随距中心点距离的增大绕射特性逐渐减小,壁压向自由场压力逼近。所得到的方法和规律可为潜艇抗冲击设计和评估人员提供参考。     

圆柱壳附近水下爆炸气泡动态特性研究

基于不可压缩势流理论,运用边界元方法,建立圆柱壳附近水下爆炸气泡三维数值模型。然后采用该模型模拟深水中圆柱壳附近近场水下爆炸气泡运动,并对气泡动态特性以及攻角大小对其影响规律进行了研究。计算结果表明,膨胀阶段气泡受浮力作用以及壁面的排斥作用影响较小;收缩阶段气泡受浮力作用以及气泡受壁面的吸引作用影响较大,随攻角的减小,气泡射流作用和气泡脉动压力均逐渐增强,即爆点位于圆柱壳结构正下方时所造成的结构损伤最为严重。研究结论有益于潜艇结构抗爆防护设计,也为水下爆炸气泡载荷作用下潜艇结构毁伤机理研究提供了参考依据。     

船舶远程尾流场中气泡上浮运动模型

针对尾流气泡运动过程中上浮速度与半径变化互相影响的动态耦合问题,分析了气泡的受力情况,考虑到非恒定Basset力的影响,得出了气泡瞬态加速度模型;并在气泡传质模型中引入非平衡传质理论,得出了气泡的瞬态非平衡传质模型;进而依据气泡质量变化率实现了两模型的耦合,以此构建了完整的船舶远程尾流场中气泡上浮运动模型.计算结果表明,Basset力对运动初始阶段的速度变化影响显著,而引入非平衡传质理论的计算结果与实验吻合更好.     

近自由液面气泡与冲击波的相互作用

[目的]为了研究自由液面、气泡与冲击波三者之间的相互作用,[方法]基于间断迦辽金法,结合Level Set与Real Ghost Fluid方法,分析复杂流场中冲击波传播特性及气泡运动特性,描述流场内各种波系的生成与发展过程。[结果]结果表明:在相互作用过程中,流场生成的复杂波系中包含多个稀疏波和冲击波。自由液面减缓了气泡的溃灭速度,而入射冲击波则加快了气泡的溃灭速度,并使自由液面的上拱运动增大。[结论]所得结果可为水下爆炸对舰船结构的毁伤机理提供参考。     

计入能量损失的气泡运动三维数值模拟

在前人研究的基础上,假设能量损失主要发生在气泡体积达到最小的瞬间,通过改变压力参数计及能量损失,结合势流理论,建立气泡三维动力学数值模型。采用边界积分法求解该数值模型,计算得到气泡的动态特性,计算值与实验值吻合良好,验证了数值模型和计算方法的有效性。基于此,分别对自由场中和边界附近的气泡动力学特性进行了模拟,包括水下爆炸气泡以及空化气泡,得到了一些规律性的曲线和结论,旨在为气泡的相关动态特性研究提供参考。     

基于AUTODYN的气泡与固定壁面相互作用数值模拟

阐述了AUTODYN软件模拟水下爆炸气泡的原理及过程,通过球对称模型以及重力场中气泡的实验数据与AUTODYN计算结果的对比,验证其在计算气泡脉动时间和压力等方面的计算精度,并以此为基础研究近壁面水下爆炸气泡的动力学特征以及影响因素,包括无量纲距离对气泡形状的影响,固壁面对气泡最大半径、脉动周期和射流时间的影响,以及近固壁面气泡射流速度及压力的变化等,总结相关规律,为气泡的数值模拟研究提供参考。     

水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响

[目的]为了优化舰船冲击环境预报载荷体系及研究气泡脉动压力对舰船冲击环境的影响,[方法]基于ABAQUS有限元分析软件,采用声固耦合方法模拟某舰水下非接触爆炸特性,通过与现有文献实验数据的对比验证该方法的有效性。在此基础上,针对水下爆炸气泡脉动压力进行冲击环境特性的研究。[结果]结果表明:气泡脉动压力对舰船低频响应有放大作用,垂向冲击谱值的影响要大于其他2个方向;上层甲板受气泡脉动的影响仍然较大,验证了甲板低频响应的衰减规律;对水下爆炸实验和冲击环境进行预报时,计算时间选取为1.5倍气泡一次脉动周期才可得到较准确的冲击环境数据,以此来验证海军标的准确性。[结论]研究结果有利于优化舰船冲击环境预报流程中各参数的选取,并可用于指导舰船冲击环境的预报。     

爆炸气泡与舰船相互作用的相似性方法研究

在相似方法的基础上,基于修正的Rayleigh模型,描述水下电火花放电气泡(小尺度气泡)与真实的水下爆炸气泡(大尺度气泡)之间的相似关系。总结不同工况下不同尺度气泡运动及其载荷的相似规律,包括气泡半径的变化、迁移量以及射流速度等特征量。在此基础上,将水中气泡与复杂的舰船边界耦合,研究舰船附近气泡的动态特征。研究表明,基于相似性理论可有效地用电火花气泡模拟水下爆炸气泡,可将机理性试验的结果拓展到应用研究中。     

晃荡对上升气泡运动状态影响分析

船用动力设备中气泡的运动会改变设备的换热特性,在设备晃荡条件下,气泡的运动规律变得更加复杂,严重时会影响系统的安全运行,因此需要对晃荡条件下的气泡运动行为进行分析。依托晃荡实验台架,采用高速摄影仪对静止和晃荡2种工况下的气泡运动状态进行采集,对实验数据进行分析处理,得到气泡上升轨迹和速度等参数。由对比实验分析得到晃荡工况下气泡运动的若干特性。晃荡条件下气泡运动特性可为船用动力装置存在气泡的设备的换热特性研究提供基础。