装药水下沉底爆炸压力场特性研究

对水下爆炸冲击波进行了概述,分析了影响冲击波传播的因素和球形装药中心起爆时出现驼峰的原因.利用AutoDyn软件对装药在自由场与沉底爆炸二种工况的压力场特性进行了数值模拟,计算中采用透射边界条件代替压力流出边界条件和提高能量守恒误差容许值的办法.仿真结果表明,装药自由场爆炸中,冲击波传播没有方向性;在装药沉底爆炸时,冲击波存在明显的水底反射效应,水底反射对药包上方范围起到增强作用,而对水底附近起削弱作用,当测点与水平夹角大于60°时,冲击波压力峰值增加到一个相对稳定值.     

单个装药浅层水中沉底爆炸的数值模拟

采用ＡＬＥ算法,对单个装药浅层水中沉底爆炸进行了数值模拟。计算结果与实测结果较好地吻合。根据数值计算结果,分析了爆炸流场中冲击波传播规律;给出了不同时刻水中压力等值面分布,空间不同点压力时程曲线;分析了水底,水面对水中爆炸冲击波传播及对流场压力变化规律的影响。获得了浅层水中爆炸流场参量分布与变化规律的初步认识。     

浅层水中爆炸水底影响的试验研究

在单个装药浅层水中爆炸系统试验研究的基础上 ,对近水底测点的压力时程曲线进行分析 ,研究水底反射膨胀波、水底反射冲击波 ,沿水底传播的前驱波、马赫波对流场压力变化规律的影响 ,对实测结果进行了统计分析。     

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。     

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.      

爆炸冲击波与防弹衣相互作用的数值模拟

为研究穿戴防弹衣情况下爆炸冲击波对人体的作用模式,建立了爆炸冲击波冲击防弹衣的2维和3维数值模型.借助Eulerian和Lagrangian的完全耦合方法,模拟构建爆炸冲击波与防弹衣相互作用所形成的冲击波流场.对冲击波流场的分布情况进行分析,包括冲击波在防弹衣表面的反射,在防弹衣边缘绕射以及在防弹衣与人体之间的传播情况.研究结果表明,在穿戴防弹衣情况下,爆炸冲击波与防弹衣发生相互作用,形成的复杂波系会加重对人体的伤害.      

煤矿巷道爆炸冲击过程障碍物影响研究

为揭示煤矿巷道爆炸冲击压力传播规律降低经济损失和人员伤亡,本文对典型巷道爆炸过程中障碍物对压力冲击波传播影响规律进行了三维有限元分析。结果表明:距离爆炸中心较近的点,压力在短时间内迅速升高,然后由于冲击波吸收和向开口端的传播,压力迅速下降,下降速率小于升高速率;障碍物的存在,提高了冲击压力峰值,距离爆炸中心越近,影响越显著,距离爆炸中心为10m时,障碍物存在使压力峰值升高为1.4MPa,约为没有障碍物时3倍;距离爆炸中心较近时,由于反射作用,存在二次冲击压力峰值,二次冲击压力具有较大的破坏作用。本研究对安全系统设计和冲击压力预测具有重要理论和实际意义。     

钕铁硼强磁性材料的冲击加载实验和数值模拟研究

为了研究钕铁硼(Nd2Fe14B)强磁体在冲击加载作用下的动态力学性能,建立了炸药爆炸平面波冲击加载实验装置,进行了冲击加载实验.采用锰铜压阻测压技术测量了磁体中冲击波压力,获得了不同强度冲击波加载作用下磁体中冲击波压力.建立了Nd2Fe14B磁体冲击加载实验的计算模型,对炸药爆炸冲击加载磁体过程进行了数值模拟计算,计算结果与实验结果相吻合.分析了Nd2Fe14B磁体中冲击波传播规律,给出了Nd2Fe14B磁体中冲击波压力按指数规律衰减的计算公式.     

水下爆炸近场载荷的试验与数值模拟

借助于小药量水下爆炸试验及数值模拟研究了水下爆炸近场载荷及其运动特性。试验在爆炸水箱中进行,采用同时分幅扫描超高速光电系统拍摄炸药爆炸后视场600 mm×600 mm以内的冲击波及爆轰产物演化过程。使用LS-DYNA软件的ALE方法计算了水下爆炸近场冲击波、爆轰产物气体运动特性,以及冲击波峰值压力和爆轰产物气体与水介质边界压力变化特性,数值模拟结果与试验结果有很好的近似。在试验和数值模拟基础上,提出了适用于水下爆炸近场的冲击波运动、峰值压力的变化规律,并建立了爆轰产物气体初期膨胀运动规律及压力变化。     

大空间钢网壳穹顶的内爆炸冲击波超压计算

为研究内爆炸作用下冲击波在大空间穹顶结构内的传播规律、超压峰值及其对结构的作用,采用通用有限元LS-DYNA程序,考虑炸药空中爆炸和大空间结构特性,建立炸药在大空间钢网壳穹顶内爆炸作用下的数值计算模型,并通过已知超压计算公式验证数值结果.应用所建模型,对炸药在大空间钢网壳穹顶内爆炸的全过程演变和5种矢跨比穹顶的内爆炸冲击波压力进行了数值模拟计算与分析.结果表明:内爆炸下大空间穹顶除受到入射冲击波的冲击作用外,还可能受到反射波或复合波的多次冲击,冲击的强弱取决于反射体刚度和穹顶几何尺寸等多种因素;穹顶跨度和矢跨比对主峰值压力的大小和出现的次数有较大影响,但没有呈现出明显的规律性.最后,给出了内爆炸下不同跨度和矢跨比穹顶结构的冲击波超压计算公式,可供工程结构防爆抗爆参考.     

一种非静压的平面二维水动力学模型

将N—S方程中的压力分解为静压和动压并将水平动量方程沿水深积分,垂向动量方程则只考虑动压梯度项．求解过程分解为静压步和非静压步,采用有限差分法离散水平动量方程,基于Keller-box格式离散垂向动量方程,得到关于动压的泊松方程并采用稳定双共轭梯度法求解,最后根据动压更新流速和水位,建立了一种非静压的平面二维水动力学模型．利用孤波和规则波的算例验证了模型的有效性．     

The effects of surfactants on spilling breaking waves

Breaking waves markedly increase the rates of air-sea transfer of momentum, energy and mass. In light to moderate wind conditions, spilling breakers with short wavelengths are observed frequently. Theory and laboratory experiments have shown that, as these waves approach breaking in clean water, a ripple pattern that is dominated by surface tension forms at the crest. Under laboratory conditions and in theory, the transition to turbulent flow is triggered by flow separation under the ripples, typically without leading to overturning of the free surface. Water surfaces in nature, however, are typically contaminated by surfactant films that alter the surface tension and produce surface elasticity and viscosity. Here we present the results of laboratory experiments in which spilling breaking waves were generated mechanically in water with a range of surfactant concentrations. We find significant changes in the breaking process owing to surfactants. At the highest concentration of surfactants, a small plunging jet issues from the front face of the wave at a point below the wave crest and entraps a pocket of air on impact with the front face of the wave. The bubbles and turbulence created during this process are likely to increase air-sea transfer.     

Mackenzie三角洲风暴相关的海岸水动力现象

针对西北风和东风这2种强风在Mackenzie三角洲开敞水域时期占主导地位的特点,运用SWAN模型对1次西北向风暴过程中的风暴浪进行模拟,并基于实测风、流数据和MODIS数据对2次东风引起的海岸水动力现象进行分析。结果表明:西北向风暴影响水域中上层的波浪和强流,引起明显的波浪增水和波能耗散;东向风暴可以引起从海表到海底的强流,甚至强度较弱的持续东风都可以引起上升流和水体混合;西北风和东风都会使水底的细小泥沙发生运动。     

最小抵抗线对台阶模型爆破效果影响研究

为揭示最小抵抗线（W）对台阶模型爆破效果的影响,利用相似准则原理加工混凝土台阶模型进行爆破试验,并采用高速摄影系统、瞬态信号测量仪以及超动态应变测试仪等对爆破效果进行监测分析,得到结果如下:爆堆质量及最大块度随着W的增大而增大;随着W的增加自由面初速度减小,模型装药中心点合速度与水平方向夹角逐渐减小,且W越大夹角减小越缓慢;自由面上的峰值应变随到爆源距离的减小而增大;随着W的增大最大振动速度会先增加后减小,爆破振动主频则呈现逐渐降低的趋势.      

Stokes波的数值生成

优良的波浪环境条件是非线性波浪与结构物相互作用问题研究的基础。给出一种在时域中模拟刚性剖面作周期运动辐射生成Ｓｔｏｋｅｓ 波的方法,为数值波浪水池试验提供高品质入射波模型。在频域中对二维二阶辐射问题作数值求解,通过对二阶辐射波传播模式的分析,找出能在水池中生成二阶意义上纯正的Ｓｔｏｋｅｓ波的造波机运动形式。利用边界积分方程的时间步进法进行非线性数值造波的模拟证实了在频域中得到的结论,在数值波浪水池中生成了稳定的带有波前的高品质Ｓｔｏｋｅｓ波。     

Wave Damping and Refraction-Diffraction Due to Variable Depth Porous Bottom

The refraction-diffraction of surface waves due to porous variable depth has been the subject of many investigations. In the present study, we extend the boundary-value problem of impermeable varying topography to that of a variable depth porous seabed, which is the situation most likely to be encountered in practical problems of coastal engineering. A wave-induced fluid motion is applied to the porous bottom, while the well-known linear potential theory is applied to the free-water above the bottom. Eigenfunction expansions are employed to derive the matching condition and the so-caUed modified dispersion relation. As a result of the porous bottom, the wavenumber becomes a complex value, of which the real part represents the spatial periodicity while the imaginary part refers to the energy dissipation. The characteristics of water waves over a porous bottom are studied in detail. By neglecting the non-propagating modes which only have a local effect and damp exponentially with distance, we derive a mathematical model to represent the characteristics of both the wave refraction-diffraction and wave-damping. The developed model is applied to the damping problem of waves over submerged porous breakwaters.     

The hydrodynamics of water strider locomotion

Water striders Gerridae are insects of characteristic length 1 cm and weight 10 dynes that reside on the surface of ponds, rivers, and the open ocean. Their weight is supported by the surface tension force generated by curvature of the free surface, and they propel themselves by driving their central pair of hydrophobic legs in a sculling motion. Previous investigators have assumed that the hydrodynamic propulsion of the water strider relies on momentum transfer by surface waves. This assumption leads to Denny's paradox: infant water striders, whose legs are too slow to generate waves, should be incapable of propelling themselves along the surface. We here resolve this paradox through reporting the results of high-speed video and particle-tracking studies. Experiments reveal that the strider transfers momentum to the underlying fluid not primarily through capillary waves, but rather through hemispherical vortices shed by its driving legs. This insight guided us in constructing a self-contained mechanical water strider whose means of propulsion is analogous to that of its natural counterpart.     

波浪影响下近底高浓度泥沙水运动的动力学模拟

波浪影响下的近岸海底泥沙水运动,特别是近底高含沙率泥水层,对泥沙的再悬浮和沉淀起着至关重要的作用．假定底部高浓度泥沙水为牛顿流体,利用N-S流体运动理论,采用VOF法追踪水-气界面和水-泥沙水的相界面运动,模拟了波浪作用下泥水层内的动力学响应．结果表明：泥水层的响应与主体海水波动不同,为研究底部泥沙再悬浮和底部条纹形成打下了基础;VOF法能较好地追踪水-气和水-泥沙水相界面运动的多相界面问题;同时界面间存在互相作用,即水-气界面波动对水。泥沙水界面有较大影响,而水-泥沙水界面对水-气界面影响很小     

利用并行算法分析平底结构砰击作用下具有自由表面水域的水动力特性

采用VOF和动网格方法、考虑限制水域边界条件的约束因素.利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察平底结构从一定的高度以一定速度落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象.数值模拟结果表明:采用所提出的数值方法可以对平底结构砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟.所利用若干台多核微型计算机对平底结构撞击自由水面所引起的砰击问题进行的并行算法,为利用并行算法分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象进行了有益的尝试.     

利用并行算法分析平底结构砰击作用下具有自由表面水域的水动力特性

本文采用VOF和动网格方法、考虑限制水域边界条件的约束因素，利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察平底结构从一定的高度以一定速度落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象。数值模拟结果表明：采用本文所提出的数值方法可以对平底结构砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟。本文所采用的利用若干台多核微型计算机对平底结构撞击自由水面所引起的砰击问题进行的并行算法，为利用并行算法分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象进行了有益的尝试。