改進的氣泡動力學模型在艦船抗沖擊中的應用.pdf

1、氣泡動力學是流體力學領域的一個經(jīng)典問題，由于氣泡在不同的環(huán)境下表現(xiàn)出不同的動態(tài)特性，在多個領域有廣泛的應用背景，氣泡動力學的研究也受到國內外學者的重視。水下爆炸氣泡動力學作為其中一個重要的研究方向，能夠為艦船抗爆抗沖擊和水下武器毀傷機理研究提供必要的參考和依據(jù)。
　　本文首先從氣泡動力學的應用背景和基本現(xiàn)象入手，并從理論、實驗和數(shù)值三個方面對國內外的研究進展進行了綜述，發(fā)現(xiàn)由于傳統(tǒng)邊界元氣泡動力學模型在精度、穩(wěn)定性和適用范圍等方面

2、的限制，無論在氣泡動力學分析方法還是氣泡動態(tài)特性的現(xiàn)象和本質方面，仍有很多關鍵問題有待解決。為此本文針對其中的典型問題，從理論和數(shù)值角度對傳統(tǒng)的氣泡動力學邊界元模型進行改進，并將其應用到艦船抗沖擊的關鍵問題研究中。
　　在不可壓縮勢流理論的假設下，推導了氣泡動力學邊界元方法的基本方程，建立了不同環(huán)境下的氣泡動力學模型。針對傳統(tǒng)模型中渦環(huán)模型的計算精度和穩(wěn)定性問題，提出了新的誘導速度勢積分方法，并對環(huán)狀氣泡初始的數(shù)值切割、渦環(huán)位置更

3、新等數(shù)值過程進行了一系列的改進；在彈性網(wǎng)格技術的啟發(fā)下，引入密度勢函數(shù)來表征曲面網(wǎng)格局部節(jié)點密度，以此為衡準建立了密度勢方法，來改善氣泡運動過程中局部網(wǎng)格密度與變形不協(xié)調的問題。然后結合基于邊翻轉技術的曲面網(wǎng)格拓撲優(yōu)化技術，提出了適用于氣泡動力學的三維曲面網(wǎng)格優(yōu)化方法，通過與其它不同方法的對比，檢驗了該方法的有效性，并體現(xiàn)了其優(yōu)勢。對于開域問題，利用立體角與渦環(huán)速度勢等效原理，提出了雙層位勢的奇異積分計算方法，并分別針對開域壁面和開域自

4、由面兩種情況，修正了邊界積分方程，以考慮未離散的遠場邊界的影響；然后針對自由面與結構交界處的過約束問題，采用“雙節(jié)點技術”建立了考慮結構運動的流固交界處理方法。最后在勢流假設下，分別針對浮體結構的剛性運動和彈性變形，采用輔助函數(shù)分解方法推導了與氣泡和自由面的耦合運動方程，形成了考慮自由面非線性效應的氣泡與結構流固耦合計算模型。
　　自由場和簡單完整邊界附近的氣泡動態(tài)特性問題一直是氣泡動力學機理研究的關注對象。采用本文改進的軸對稱和

5、三維氣泡動力學模型，分別對自由場、自由面、剛性壁面附近的氣泡脈動、射流以及環(huán)狀氣泡回彈等先行進行了模擬分析，并與實驗結果進行了對比驗證。尤其是三維環(huán)狀氣泡的計算結果與軸對稱模型在氣泡變形細節(jié)上達到一致，表明本文改進方法的數(shù)值穩(wěn)定性和精度較傳統(tǒng)方法有顯著的提高。然后分析了豎直壁面和浮力聯(lián)合作用下的非軸對稱問題，發(fā)現(xiàn)氣泡坍塌階段產(chǎn)生的斜射流在環(huán)狀氣泡階段被逐漸扶正，向垂直于壁面的方向發(fā)展。
　　為研究具有破口的艦船邊界附近的水下爆炸對

6、其沖擊作用，系統(tǒng)地研究了背水和背空兩種破損平板邊界與氣泡的耦合動態(tài)特性。對于背水破損平板邊界，分析了對射流現(xiàn)象的產(chǎn)生機理，并研究了距離參數(shù)和破口參數(shù)對氣泡運動的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)距離較近時氣泡運動由破口主導，而距離較遠時則由壁面主導。同時對于超近距離下氣泡與壁面融合的特殊現(xiàn)象，提出了流場分離模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法求解，并分析了這一范圍內的氣泡運動特點。另一方面，對于背空的破損平板邊界，發(fā)現(xiàn)由于邊界的不連續(xù)性，使得自由面水冢的形態(tài)與完整邊界下自由面

7、水冢有明顯的區(qū)別，呈現(xiàn)出顯著的非線性，可產(chǎn)生多層的皇冠，甚至塔形水冢。而邊界對氣泡的影響則可看做自由面與壁面的聯(lián)合作用。在研究中發(fā)現(xiàn)，當距離較近時，自由面邊緣在氣泡收縮階段產(chǎn)生明顯的空腔，可能與氣泡發(fā)生融合，從而使其喪失大部分能量。這對于研究水下爆炸對具有破口的艦船表面的沖擊問題具有一定的參考價值。
　　針對舷側水下爆炸氣泡對艦船的局部損傷效果，由于艦船舷側與自由面相交，邊界條件在此處發(fā)生突變，且其附近氣泡受到多種力的作用，使其耦

8、合過程十分復雜。本文分別討論了無限大的傾斜壁面和圓形舭部兩種舷側形式附近的氣泡運動，發(fā)現(xiàn)在自由面與外飄和內傾舷側的交界處呈現(xiàn)出不同強非線性效應，對后期的自由面對艦船舷側的砰擊作用具有明顯的影響。
　　由于氣泡載荷的低頻特性，會引起明顯的剛體運動和低頻的彎曲振動。對于剛體運動問題，除了前期的氣泡載荷，氣泡在自由面處破裂時興起的波浪也會對艦船產(chǎn)生砰擊，從而威脅其動穩(wěn)性。針對這一問題，采用本文所建立的氣泡與浮體結構的流剛耦合模型對二維情

9、況下氣泡及其破裂興波作用下自由面浮體的剛體運動進行了研究，并分析了工況參數(shù)對其影響規(guī)律，總結了氣泡在自由面興波的毀傷區(qū)間。對于彎曲振動，幅值過大時威脅艦船的總縱強度，為此，本文在考慮自由面非線性效應、艦船初始靜水彎矩和波浪作用下的總縱強度問題，并重點分析了各種因素引起的附加質量改變導致的船體梁總體響應變化，發(fā)現(xiàn)波浪對船體最終響應具有非線性的影響，艦船處于波峰的情況下結構響應隨波幅的變化要明顯比處于波谷時對波幅更為敏感，可以為艦船的抗爆抗