近场水下爆炸破舱附近气泡动力学特性研究

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随着水中兵器系统的快速发展,舰船遭遇近场水下爆炸毁伤的程度越来越大,水下爆炸气泡动力学的研究具有重要的科学价值和军事意义。舰船遭遇水下近场爆炸冲击波载荷作用后,对气泡与破损舱室耦合作用的探究,及评估舰船剩余生命力和海上救援具有重大的意义。目前国内外尚缺少对近场水下爆炸破舱后气泡动力学特性的分析。因此,开展近场水下爆炸气泡对破舱结构的毁伤研究,可为揭示气泡与破口舱室结构的毁伤机理提供参考。本文对近场水下爆炸冲击波对舰船结构造成初始损伤后,气泡与破损边界相互作用过程开展研究。理论方面对水下爆炸动力学方程进行阐述与分析,介绍了水下爆炸气泡脉动载荷计算公式。数值方面发展了多极边界元法和耦合欧拉-拉格朗日方法,通过模拟典型工况对比试验验证了数值模拟的准确性,并详细分析船舶与海洋工程中破口结构附近的水下爆炸气泡动力学特性。通过数值程序模拟气泡和不完整边界的相互作用,采用控制变量的方法,以破口尺寸Rh,破口中心深度Df以及初始气泡形心到破口距离Dh作为主要参数,在多种不同参数组合的工况中对气泡的第一周期脉动特性进行详细分析。通过讨论气泡体积,气泡形心位移,涌流水柱形态以及气泡脉动形态等,探究气泡在破口处的涌流动态特性,揭示气泡与破损边界,气泡与自由液面的耦合作用的机理,总结不同阶段主导对气泡脉动特性影响的因素,以及观察并分析气泡脉动过程中的特殊现象,探究破口尺寸Rh,破口中心深度Df以及初始气泡形心到破口距离Dh对气泡动力学特性的影响。结合耦合欧拉-拉格朗日基本理论,对气泡和不完整边界的相互作用进行数值模拟,通过两种数值程序的对比分析,更加准确的揭示了气泡与不完整边界的耦合作用机理,为近场水下爆炸气泡对舰船结构的毁伤提供技术支撑,为复杂的实际水下爆炸气泡运动载荷特性提供更好的参考。
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