基于γ界面捕捉模型的近场水下爆炸数值模拟（英文）

随着对水下爆炸现象研究的逐步深入,近场水下爆炸的数值模拟研究越来越受到重视。近场水下爆炸数值模拟当中的主要难点在于多相流运动以及界面捕捉方法的研究。文章提出一种较为稳定的近场水下爆炸数值模拟方法,其包含了五阶WENO重构以及HLLC近似黎曼求解器的格式,对于多相流界面的捕捉方法基于γ模型。文中的求解格式通过了一维激波管问题以及二维轴对称问题的验证,计算结果与理论解和实验结果吻合较好。在此基础上将该方法推广到近场水下爆炸过程中冲击波传播以及近水面爆炸现象的模拟,模拟结果较为满意。该文的研究方法能够为后续的近场水下爆炸过程中的空泡以及水射流的研究提供指导。     

近场水下爆炸载荷及舰船结构动态响应研究综述

以往水下爆炸研究主要集中在中远场,国内外专家学者在中远场水下爆炸方面做了大量研究。近年来,随着精确制导武器的快速发展,舰船遭受近场水下爆炸的几率大大提升。然而,近场水下爆炸过程涉及强间断、结构撕裂等强非线性问题,诸多机理尚不明确,如冲击波在多层介质中的传播规律、气泡的非球状脉动以及边界诱导射流等。近场水下爆炸实验具有成本高、可重复性差以及危险性高等缺陷,理论解析局限于简单结构及单一边界条件。随着数值技术的发展,越来越多的学者将数值方法结合实验、理论来研究近场水下爆炸。本文在现有文献的基础上,总结近场水下爆炸在实验、理论及数值模拟方面的典型成果,指出目前仍存在的具体问题,并对未来近场水下爆炸发展方向进行展望。     

基于SPH方法的水下接触爆炸数值模拟

水下爆炸涉及的物理现象极其复杂,特别是水下接触爆炸数值模拟极为困难.文章编制了基于体积近似的修正SPH方法计算程序,成功模拟了水下接触爆炸冲击波传播和结构破坏的整个过程.文中通过模拟圆柱形装药对水中结构的破坏,发现了钢结构的破坏模式、背空钢板处冲击波的传播特性.结果表明,修正SPH方法在高密度比介质的交界面处仍能反映基本的物理过程,在解决高速、强压缩和高密度比的多相流问题时具有较大优势.该文计算结果旨在为舰船水下接触爆炸相关研究提供参考.     

水下爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟研究

运用AUTODYN程序对水下爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟研究.首先模拟了无限水域中的水下爆炸冲击波,然后将深水爆炸简化为一维问题,采用一维方法对深水爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟,并将模拟结果与经验公式和实验结果进行了比较.模拟结果表明,AUTODYN能准确模拟近场水下爆炸冲击波和深水爆炸气泡脉动过程,计算得到的近场水下爆炸冲击波峰值压力和比冲量、水质点速度、气泡最大半径、脉动周期、二次压力波的峰值压力和比冲量等特性参数均与经验公式、理论公式和实验结果吻合良好.远场的冲击波峰值压力的计算值小于经验值,而且计算误差随着爆距的增加而增大.最后总结了模拟结果,得出了对工程应用有益的结论.     

SPH方法模拟水下爆炸研究进展

对SPH方法模拟舰船水下爆炸的主要技术问题及其研究现状进行分析。结果表明,大密度比多相流模拟、三维或基于对称算法的三维模拟、无反射边界等边界的处理是SPH方法实现舰船水下爆炸工程应用的主要技术瓶颈。提出SPH方法实现舰船水下爆炸工程应用的重点研究方向。     

水下近自由面爆炸过程中的多相流运动特性研究

水下近自由面爆炸现象涉及到爆轰气体产物、水以及空气等多种流体之间的相互作用过程，同时还伴随有明显的汽液两相之间的相变转换。为了理解和掌握近水面爆炸过程中的多流体非线性耦合特性，引入基于相变转换的多相可压缩流体计算模型进行分析。采用一维激波管问题对计算模型的精确性和收敛性进行测试验证，在此基础上利用二维轴对称模型模拟近水面爆炸过程，获得冲击波传播、空化产生与溃灭、爆炸气泡运动等过程。爆炸气泡运动的计算结果与试验结果具有一致性。对于由水下爆炸引起的近自由面空化现象，数值模拟清晰展示了空化域的产生、发展及其溃灭的完整过程。空化域由开始的单连通域演化为涡环形态，并向外扩展直至完全溃灭。将蒸汽体积分数0.5‰作为空化域的识别判据时，计算获得的空化域的演化过程与试验结果较为一致。数值模拟结果还进一步揭示了空化域内部的一些重要的物理特性，本文的研究结果能够为水面舰艇结构的抗爆抗冲击防护研究提供技术支撑。     

水下爆炸冲击载荷的一种新型算法研究

近年来,越来越多的研究者都重视使用计算机的数值模拟对水下爆炸进行研究.水下爆炸包含了一系列复杂的物理过程,如大变形、高度非均匀性、可变形边界和自由表面.对于传统的基于网格的数值方法,水下爆炸问题的模拟是一项非常具有挑战性的工作.介绍了无网格光滑粒子流体动力学(SPH)方法在水下爆炸模拟中的应用,并且提出了处理固壁和物质交界面的算法,给出了水下爆炸过程具有代表性瞬间的压力分布、速度分布以及气泡的演变和脉动,为舰船水下爆炸冲击载荷的计算提供了一种新型有效的研究方法.     

基于SPH方法的水下爆炸初始爆轰过程研究

炸药的水下爆炸具有极大的变形和高度的非均匀特性,基于网格的数值模拟方法研究这类问题时遇到诸多困难,将最近发展起来的无网格的光滑粒子流体动力学(SPH)应用到炸药的水下爆炸初始爆轰过程的研究.从模拟结果可知,应用SPH方法能较好地预测出爆轰波的大小和形状以及在爆轰过程中的压力分布.SPH方法非常适宜处理炸药的水下爆炸极短瞬时所具有的大变形和高度的非均匀动力学的极端情形,这对进一步模拟水下爆炸过程提供了一种新的研究方法.     

基于CEL方法的射弹高速入水数值研究

针对超空泡射弹火炮武器在航空反水雷作战中的应用,本文基于耦合欧拉—拉格朗日(CEL)方法对射弹高速入水过程进行了数值模拟,重点对入水空泡的捕捉精度问题进行了研究。对于平头射弹而言,采用刚体壳单元进行几何离散、求解,由于双侧接触问题会使入水空泡的捕捉失真。基于对壳单元双侧接触形成机理的分析,获得了改善射弹高速入水空泡捕捉精度的方法。通过射弹入水后的超空泡形态与试验、理论研究结果的对比,表明了CEL方法对高速入水数值求解的有效性;进而通过射弹带攻角垂直入水尾拍过程的数值模拟,捕捉到了与水下发射试验相近的空泡不连续演化特征。最后,对数值模拟得到射弹尾拍载荷特性、射弹尾拍航行状态下姿态偏转角速度变化的分析表明,射弹尾拍对其水下弹道性能有重要影响。     

多次水下爆炸下背空加筋板损伤累积特性研究

为了评估舰船结构在水下多次爆炸冲击下抗爆抗冲击性能,采用Abaqus非线性有限元软件建立了固支背空钢板结构水下爆炸冲击数值模型,数值计算结果与文献实验结果吻合较好,验证了水下爆炸声-固耦合方法的可靠性。在此基础上,提出了多次水下爆炸冲击声-固耦合数值模拟方法,研究了多次水下爆炸冲击下典型背空加筋板损伤累积特性与损伤模式演化规律,分析了冲击因子对结构损伤特性的影响。结果表明,多次水下爆炸冲击作用下背空加筋板动态变形与损伤逐渐累积,可能发生塑性大变形、边界拉伸撕裂以及整体失效破坏等损伤模式演化。当冲击因子小于某一阈值时,背空加筋板多次水下爆炸冲击下塑性变形趋于稳定,出现伪安定现象。研究结果可为舰船结构抗爆抗冲击设计提供参考。     

船舶在远场水下爆炸载荷作用下动态响应的数值计算方法

提出了一个利用MSC／DYTRAN数值模拟水面船舶在远距离水下爆炸载荷作用下动力响应的方法。用FORTRAN语言编译用户子程序，在近场水域边界处加上冲击波载荷以模拟远场爆炸效应，进而利用DYTRAN中强大的流固耦合计算功能，计算船体在水下冲击波作用下的动态响应。同时研究了边界定义和单元划分对冲击波传播的影响。该方法弥补了DYTRAN计算远场水下爆炸的某些不足，计算所得到的船体附近的自由场压力与经验公式的结果基本一致，船体的冲击响应与相关实验结果比较表明本文计算结果可信。     

水下爆炸载荷数值模拟方法

基于MSC-Dytran有限元软件,以水下爆炸载荷数值模拟的两类状态方程GAMA和JWL为讨论对象,通过大量数值试验,分析了欧拉网格密度、等效高压气团的初始半径、水的状态方程系数对水下爆炸载荷关键参数模拟效果的影响,给出使用GAMA状态方程时初始气泡半径的取值范围。提出采用JWL状态方程时,通过合理划分网格及提升水的状态方程系数技术模拟整个水下爆炸载荷过程的方法,该方法同时考虑了冲击波载荷和气泡脉动载荷,从而为研究近距水下爆炸载荷下结构响应提供较为准确地爆炸载荷,具有一定的工程意义和参考价值。     

舰船水下爆炸数值计算方法综述

舰船水下爆炸的数值模拟可有效降低试验成本,为舰船的设计提供更为快捷和准确的指导,近年来逐步得到各国海军的重视.从远场和近场水下爆炸两个方面,对当前常用的数值计算方法进行了综述,在比较各种方法的优缺点及适用范围的基础上,对今后的发展作了展望.     

基于虚拟流体方法数值模拟作用在水-弹性固体界面的强激波

文章对强激波与水—弹性固体界面的相互作用进行了数值模拟。基于欧拉方程和弹性动力学方程推导了一个用于处理流固界面的近似黎曼关系。耦合流体区域的欧拉网格和固体区域的拉格郎日网格,用水平集方法追踪流固界面的位置。并分别用五阶WENO和双特征线格式离散流体控制方程和固体控制方程及捕捉强激波在流体和固体中的传播。流固界面附近的网格节点用虚拟流体方法求解。文中还将数值结果和强激波作用在水—固壁界面,水—可压缩固体界面得到的结果进行了对比分析及验证。数值模拟结果也表明了推导的近似黎曼关系和虚拟流体方法可很好地适用于水—弹性固体耦合问题。     

紧致插值曲线CIP方法及其应用

波浪与建筑物的相互作用过程会涉及到波浪破碎、水气掺混和结构物的动力响应等复杂过程,对数值算法提出了更高要求。文章基于紧致插值曲线CIP（Constrained Interpolation Profile）方法建立了可模拟波浪破碎、翻滚等自由面大变形流动问题的数学模型。模型以CIP方法为流场基本求解器,离散了纳维—斯托克斯（Navier-Stokes：N-S）方程,同时还以CIP方法捕捉了自由面,通过多相流理论描述了流—固—气之间的相互作用。对强非线性自由表面流动问题的典型算例溃坝问题开展了数值模拟,并通过与他人实验结果的比较验证了模型的有效性。最后开展了极端波浪对浮式结构冲击过程的模拟,准确地预测了甲板上浪和结构的动力响应等问题。     

水下爆炸载荷特性数值计算方法

为了更好地研究水下爆炸冲击载荷,通过数值模拟的方式模拟水下爆炸过程中产生的爆炸冲击波和气泡脉动2种原生载荷。运用有限元软件AUTODYN建立一维炸药-水域模型模拟炸药爆炸产生的爆炸载荷,通过对比经验公式对有限元模型可靠性进行验证,计算结果与经验公式误差不超过15%。同时研究了爆距、炸药当量和水深等变量对水下爆炸冲击波以及气泡脉动的影响。     

基于虚拟流体方法数值模拟作用在水—弹性固体界面的强激波（英文）

文章对强激波与水—弹性固体界面的相互作用进行了数值模拟。基于欧拉方程和弹性动力学方程推导了一个用于处理流固界面的近似黎曼关系。耦合流体区域的欧拉网格和固体区域的拉格郎日网格,用水平集方法追踪流固界面的位置。并分别用五阶WENO和双特征线格式离散流体控制方程和固体控制方程及捕捉强激波在流体和固体中的传播。流固界面附近的网格节点用虚拟流体方法求解。文中还将数值结果和强激波作用在水—固壁界面,水—可压缩固体界面得到的结果进行了对比分析及验证。数值模拟结果也表明了推导的近似黎曼关系和虚拟流体方法可很好地适用于水—弹性固体耦合问题。     

基于欧拉多相流模型的空泡数值模拟

采用欧拉多相流模型模拟均匀来流绕圆盘、圆锥形空化器流动时所引发的自然空化现象,将数值模拟结果与实验、经验公式计算结果进行对比,确认欧拉多相流模型的有效性,数值结果与实验、经验公式结果吻合度高,证明考虑相间作用力的欧拉多相流模型能够较好地模拟空化现象。     

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。     

敷设橡胶圆板近场水下爆炸数值模拟

[目的]为了深入研究敷设覆盖层结构在近场水下爆炸作用下的响应特征,[方法]运用龙格库塔间断伽辽金法(RKDG)、边界元法(BEM)和有限元法(FEM)的耦合计算方法(RKDG-BEM-FEM),研究敷设橡胶圆板在近场水下爆炸载荷作用下的响应特征;通过与试验得到的湿表面压力、气泡形态等结果进行对比,验证计算方法的有效性,探讨近场水下爆炸气泡在柔性边界附近的响应特征。[结果]研究结果表明,敷设实心橡胶能够缩短冲击波的脉宽,但是更容易出现空化溃灭;敷设实心橡胶对近场水下爆炸气泡的变形影响不大。[结论]研究成果可为舰艇抗冲击结构近场水下爆炸设计提供理论依据。