典型舰船结构的水下爆炸耦合毁伤研究进展

随着精确制导、控制及超空泡技术的快速发展和应用，水下武器的命中精度和航行速度不断提升，对水下武器的高效毁伤能力提出了新的需求.水下武器攻击舰船目标时，爆炸冲击波、壳体碎片、气泡脉动、气泡射流以及空化效应等多种毁伤元共同对舰船目标造成毁伤破坏；此外,多发水下武器时空协同作战会对舰船目标造成耦合毁伤破坏.因此，研究多类型毁伤元、多发武器对舰船目标的耦合毁伤机理及模式是提升水下武器毁伤能力的关键.基于此，对比分析了水下接触爆炸、近距离爆炸以及中远距离爆炸时毁伤元耦合毁伤模式的区别.并从理论研究、仿真模拟以及试验验证等方面，对多类型毁伤元的耦合毁伤机理、典型舰船结构的耦合毁伤效应及基于时空协同的多发弹耦合毁伤作用的研究进展进行了梳理和归纳.在此基础上总结了现阶段针对舰船目标的水下爆炸耦合毁伤研究结果，对水下武器高效毁伤的研究方向进行了探讨，旨在为水下武器的高效毁伤技术研究提供参考.     

基于VOF法的近自由面水下爆炸气泡运动数值模拟

对于近水面水下爆炸气泡的运动特性,在结合SOLA算法差分格式,利用投影算法对气泡的控制方程进行数值求解的基础上,基于VOF法进行了数值模拟,并利用MSC.DYTRAN软件进行仿真分析,通过对两者的分析结果对比研究. 结果表明,基于结合SOLA算法差分格式的投影算法,利用VOF法可对水下爆炸气泡各时刻的运动界面进行较精确的捕捉和重构,从而实现精确追踪水下爆炸气泡脉动全物理过程的运动界面. 同时,也研究了距离参数对气泡坍塌、射流及环状气泡的影响,掌握了距离参数对近水面水下爆炸气泡运动特性的影响.      

近刚性圆柱水下爆炸气泡动力学特性研究

针对刚性圆柱附近水下爆炸气泡的动力学特性进行了研究. 基于Navier-Stokes方程结合流体体积法捕捉气液两相界面,建立了数值模型;采用电容器放电产生水下爆炸气泡并用高速摄像机记录了气泡的脉动,并将实验结果与数值模拟结果对比验证了数值模型有效性. 通过数值模拟得到了气泡与刚性圆柱相互作用的流场细节信息. 结果表明:气泡在刚性圆柱附近脉动使得刚性圆柱表面流体介质存在速度梯度,速度较大的流体液层冲击气泡形成不同的气泡形状. 定义了一个量纲一的距离参数来表征气泡与刚性圆柱之间的相对距离,研究了距离参数对射流冲击压力、最大射流速度及气泡型心运动的影响. 随着距离参数的增大,射流冲击压力逐渐减小,气泡内部最大射流速度先增大后减小;气泡型心的偏移随距离参数的增加而减小.      

爆炸冲击波致颅脑冲击伤数值模拟研究

爆炸冲击波作用头部导致的颅脑冲击伤已成为战斗医学救治中的“标志性损伤”,而爆炸冲击波作用头部时与头部相互作用过程及致伤机理尚不明确. 为了找出爆炸冲击波与头部相互作用时空气压力场变化规律及颅脑动态响应特性,进行了爆炸冲击波作用头部数值模拟研究. 建立了具有典型人体头部结构的三维有限元模型,针对Nahum尸体头部撞击实验对头部有限元模型的有效性进行了验证;基于验证的头部有限元模型,对爆炸冲击波作用头部进行数值模拟,得出了冲击波与头部相互作用时空气压力场变化规律;对头部颅内压变化情况进行分析,得出了冲击波从正面作用头部后额叶、顶叶脑组织压力会出现高频的正负压周期性波动,且会出现较高的压力峰值,为易受损区域.      

不同边界附近气泡的三维数值模拟与实验值对比研究

基于势流理论,引入涡环模拟气泡的环状气泡阶段,运用边界元法求解流场中气泡的运动,且计及结构的弹塑性,将边界元法与有限元法耦合计算气泡与弹塑性结构之间的相互作用,并开发相应的三维计算程序．利用自主开发的程序分别模拟了自由场中、近自由面、近壁面以及近弹塑性结构附近气泡的三维动态特性,并与现有的实验数据进行对比分析,计算值与实验值之间误差在10％以内．通过研究不同边界附近气泡的动态特性,揭示不同边界条件对气泡复杂动态行为的影响,旨在为相关的气泡动力学研究提供参考．     

定向卸压隔振爆破的机理与试验

简述了定向卸压隔振爆破原理、破岩机理及爆破效应,通过超动态、动焦散、动光弹等试验及数值模拟,初步了解动力特性及爆轰波分布规律。试验表明：炮孔隔振护壁面一侧比无护壁面一侧应变降低45.31%,压力降低大于30%,底部空气间隔压力降低在30%以上,无护壁面一侧最大剪应力是护壁面的3.5倍,孔底空气间隔装药结构,可延长应力波在岩石中的作用时间2～5倍。显然爆炸能量集中自由面方向,提高岩体破碎质量,显示隔振半圆形管材与底部空气间隔对炮孔爆炸压力的卸压作用,减轻对岩体破损,保护围岩的稳定性。     

近水面水下双气泡耦合作用数值模拟

为研究近水面水下双气泡耦合作用过程,基于LS-DYNA软件开展了近水面水下单、双气泡数值模拟.通过利用高速摄影技术获得的试验结果与仿真结果进行对比验证,证明了本文数值模拟模型的有效性.通过对数值模拟结果进一步分析,得到了该过程的气泡最大半径、膨胀时间以及由气泡形态分析得到耦合作用过程.结果表明,近水面水下双气泡耦合作用过程并非两个单气泡的简单叠加,其横向收缩速度比单气泡慢,气泡到达最高点时间与单气泡相比有1 ms延迟,融合气泡膨胀过程融合,收缩过程中顶端两侧向斜下方凹陷.     

航行体水下动力增压排气方案研究

为了解决航行体的水下排气问题,在水下负压区排气基础上,提出水下动力增压排气方案.首先建立排气口水微团力学模型,进行水下排气机理分析,指出影响排气压力的关键参数:支管直径、叉管结构角和叉管仰角.其次,通过理论计算和数值模拟分析了叉管内的流场分布,得到排气压力大的对应参数值.最后运用流体动量定理,建立了排气射流轨迹模型,得到排气气泡不卷入螺旋桨的设计准则.研究结果为水下排气系统的详细设计与分析提供了参考.     

爆炸气泡与水面相互作用的数值模拟研究

为探究近水面水下爆炸水幕的形态及形成机理,采用LS_DYNA软件对0.6gRDX球形装药的水下爆炸过程进行了数值模拟. 数值模拟获得的水幕形态、气泡形态及气泡脉动参数等与实验结果进行了对比,验证了数值模拟方法的正确性. 通过观察气泡与水面之间的速度流场变化过程,分析了速度流场变化与水幕、气泡形态的对应关系,揭示了爆炸水幕的形态演变规律和形成机理. 研究结果表明,不同起爆深度下,气泡与水面之间的相互作用过程差异明显,直接影响了爆炸水幕的形态;径向、垂直喷射水柱的形成均产生于气泡膨胀阶段;水射流的形成与气泡是否破裂无关.     

水下爆炸冲击过程三维数值模拟

为研究无限域和近水面水下爆炸冲击波压力特点以及近水面的物理特性,基于多物质ALE方法,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对无限域和近水面水下爆炸进行了三维数值模拟,再现了爆轰产物、水以及空气多物质介质间的相互作用过程。分析发现,在爆深不变的情况下,随着测深的减小,自由面对冲击波的影响主要体现在减小入射冲击波波形脉宽和削弱冲击波峰值压力上;相同当量炸药在自由面产生的水柱,其上升的速度随着爆深的减小而逐渐增大。定性地分析了近水面水下爆炸的密度分布情况,以及不同爆深情况下自由面水柱的形成过程。通过数值模拟研究了冲击波压力值的特性,并与经验值进行了对比,验证了计算模型具有较好的计算精度,同时三维再现了水下爆炸的复杂物理现象。     

带孔刚性壁对水下爆炸气泡特性影响研究

基于Autodyn对近带孔刚性壁气泡脉动及水射流现象进行模拟,将气泡运动分为破孔射流击穿气泡和壁面射流击穿气泡两种情况,分析破孔半径、爆距、装药量对气泡运动特性的影响.针对气泡的射流速度、压力、脉动周期、中心位移等参数进行分析,发现减小破孔半径对于破孔射流起增益作用,增大爆距对壁面射流起减益作用,并与近无孔刚性壁气泡及水射流特性进行对比,发现同种工况下带孔刚性壁壁面射流压力、速度峰值及气泡脉动周期均小于无孔刚性壁情况.      

双爆源气泡与水面相互作用的实验

为研究双爆源气泡与水面的相互作用过程,开展了水箱内水下爆炸实验,采用两台高速录像机同步拍摄了气泡和水幕形态变化过程,分析了双爆源气泡和水幕运动的关联,对比了同药量、同比例深度下单双爆源气泡及水幕的差异.研究结果表明:双爆源气泡先后经历单气泡膨胀及相互融合,融合气泡膨胀、收缩-溃灭等阶段,水幕经历"水冢、水柱和水射流"3种形态的变化;双爆源融合气泡横向最大半径较单爆源气泡增大8.7%,膨胀至最大半径的时间基本一致;双爆源炸形成的水幕呈幂指数增高,炸药起爆40 ms后,相同时刻双爆源水幕比单爆源高10%以上.      

水下爆炸引起的水质点运动效应研究

基于流体动力学理论分析了水下爆炸引起水质点速度与压力的关系式,提出水质点流速由瞬时流与滞后流组成,利用水下爆炸自由场压力实测数据的分析了瞬时流与滞后流的空间和时间分布。瞬时流传播距离远但强度小,滞后流强度高但传播距离小,3倍气泡半径内即降至1%。     

水下爆炸作用下近岸场地动态响应数值模拟

以某近岸场地为研究背景,通过选取合理的材料本构模型及状态方程,建立水下爆炸荷载作用下近岸场地动力响应数值分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA进行近场水下爆炸荷载作用下动态响应分析。研究爆炸冲击作用下冲击波在近岸场地的传播特性以及近岸场地动态响应的变化规律。研究表明：在冲击波传播过程中,其传播特性会受到边界面的影响;炸药的起爆位置对近岸结构产生的影响较大,水中起爆对近岸结构产生的冲击要大于水底起爆。     

蒸气爆炸过程中压力波冲击气泡现象的数值模拟

为了进行高温金属铝液与水相互作用产生蒸气爆炸过程中压力波冲击气泡现象的机理研究,采用用Euler坐标下Level set方法追踪界面研究压力波对水下气泡的冲击过程,通过数值模拟可以清楚地看到压力波对水中气泡的冲击过程,并分别对气泡和压力波的不同初始压力条件下的作用过程进行数值模拟. 研究结果表明,气泡破裂后各观测点的最大压力随着气泡内部初始压力的增加呈线性递减;随着入射平面压力波压力载荷的降低,气泡破裂后各观测点的最大压力不断递减.      

脉冲磨料射流中球泡溃灭特性的理论

从理论上研究了脉冲磨料射流中球泡的溃灭特性，建立了脉冲磨料射流中空化球泡的动力方程，分析了磨料粒径和浓度对射流中空泡溃灭过程的影响规律。研究表明，在磨料粒度和密度较小时，粒径的变化对空泡溃灭影响不大，浓度的增加使得混合流体的粘性增大而且使渍灭空泡附近的磨粒动能增加，使得空泡溃灭过程减缓。在磨料粒度和密度较大时，粒径越小对空泡溃灭的阻滞作用越大，浓度的增加同样使得混合流体的粘性增大、溃灭空泡附近的磨粒动能增加，射流的空蚀强度减弱。