水下爆炸气泡运动对水面形态影响的数值模拟

为了研究水下爆炸气泡运动对水面形态的影响,使用LS-DYNA软件,基于ALE算法,建立了水下爆炸气泡运动模型,讨论了不同装药水深距离参数条件下,不同类型水冢的形成过程及其特性、气泡运动特性和产生的水面波动特征。结果表明:在水下爆炸过程中,随水深距离参数的增大,水下爆炸形成的水冢类型依次为零碎型、飞溅型、酒杯型、皇冠型;同时爆炸产生的气泡最大半径也是随着水深的增大而减小,气泡脉动周期则相反;水面波动的特征主要与水冢的形成过程密切相关,不同类型的水冢所产生的水面兴波的机理不同。     

水下爆炸气泡运动对水面形态影响的数值模拟

为了研究水下爆炸气泡运动对水面形态的影响,使用LS-DYNA软件,基于ALE算法,建立了水下爆炸气泡运动模型,讨论了不同装药水深距离参数条件下,不同类型水冢的形成过程及其特性、气泡运动特性和产生的水面波动特征.结果表明:在水下爆炸过程中,随水深距离参数的增大,水下爆炸形成的水冢类型依次为零碎型、飞溅型、酒杯型、皇冠型;...     

近自由面水下爆炸气泡与结构相互作用数值计算研究

近自由面水下爆炸气泡在自由面与结构共同作用下会呈现出非常复杂的运动特性,利用体积加速度模型确定气泡运动的初始半径及速度,针对流场特点,通过自行开发的子程序实现了流场初始条件与边界条件的定义,基于MSC.DYTRAN有限元软件的流-固耦合处理方法对近水面水下爆炸气泡与结构相互作用全过程进行数值模拟,通过与现有实验数据的对比,验证有限元模型建立和子程序开发的正确性。以此为基础,研究气泡与自由面、气泡与结构的距离以及结构初始角度等参数对气泡运动特性、射流角度、射流速度的影响规律,计算模型、方法及结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值。     

垂直刚性面边界条件下水下爆炸气泡运动的理论研究

为研究垂直边界面对水下爆炸气泡脉动的影响，根据势流理论建立了垂直边界面奈件下水下爆炸气泡运动的理论模型，编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度及压力的分布、气泡引起的栽荷形式进行了分析，结果表明，此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律，并能进行定量的计算。     

深水爆炸载荷数值仿真研究

为了更好地研究水下爆炸载荷的特点,应用AUTODYN有限元程序,通过数值仿真得出深水水下爆炸冲击波载荷、气泡脉动载荷以及冲量,并与经验公式计算结果比较,同时分析了近场水下爆炸条件下圆形壳体结构的损伤。数值模拟得到的二次脉动压力、气泡大小、脉动周期等均与经验值接近,水下冲击波和气泡脉动的冲量大小相当,表明应用AUTODYN是研究水下爆炸现象的有效手段之一。     

近壁面水下爆炸气泡运动的数值计算研究

基于MSC.DYTRAN非线性有限元软件建立炸药爆轰与冲击波传播的一维有限元模型,通过与冲击波压力峰值经验公式对比,验证模型的正确性。将一维数值计算结果映射到三维流场中以确定气泡运动的初始条件,开发定义流场初始条件与边界条件的子程序,对近刚性壁面气泡运动过程进行仿真分析,通过与实验结果的对比,验证三维数值计算模型的正确性。以此为基础,研究刚性面角度以及距离参数对气泡运动、射流角度、速度的影响规律,计算模型、方法及结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值。     

水下爆炸气泡动态特性的研究进展

水下爆炸气泡载荷是造成舰船结构整体损伤的主要原因,研究水下爆炸气泡动态特性对水中兵器研发和舰船防护等方面至关重要.从水下爆炸气泡脉动的载荷特性出发,综述了气泡动力学理论、实验和数值模拟三方面的研究进展,总结气泡非球状坍缩运动过程、气泡与不同结构表面耦合作用以及自由场中多气泡耦合作用等问题的典型研究成果.在现有研究成果的...     

水下爆炸问题的数值模拟及离心机试验验证

数值模拟是研究水下爆炸非常重要的一种方式,但由于爆炸试验条件的限制,许多数值计算缺少试验背景,从而降低了数值结果的普适性。该文以离心机水下爆炸试验为基础,验证水下爆炸理论基础-相似准则在数值计算上的合理性,通过多模型工况下的计算结果对比,研究影响水下爆炸数值计算精度的相关参数,并提出取值建议,最后将数值计算结果与水下爆炸试验结果相结合,共同验证在水下爆炸中冲击波及气泡脉动规律。结果表明:水的多项式状态方程计算出的冲击波峰值较Shock状态方程小,水的状态方程对气泡脉动影响不大;当一次项人工粘性系数小于0.02时,峰值增加已不明显。人工粘性系数对气泡脉动影响不大;二维模型下,测点的爆距越大,要到达计算精度要求,需要的网格尺寸越小。三维模型下,当网格尺寸取与炸药半径相近的尺寸时,能很好地模拟气泡脉动的全周期,且与试验数据的误差最小。     

水下爆炸气泡脉动试验研究

采用水中爆炸压力测量系统对不同工况下的水下爆炸压力进行了测量,得到了装药在近水底、自由场和近水面爆炸条件下气泡脉动特性的试验数据,并将试验结果与已有的水下爆炸理论公式进行了比较分析。分析结果表明:TNT炸药在自由场爆炸条件下气泡脉动周期测量结果与理论公式计算结果吻合较好,用试验验证了理论计算公式的正确性;在近水底爆炸条件下,爆炸气泡脉动周期较自由场条件下长;RDX炸药在自由场条件下和近水面爆炸,测量的爆炸气泡脉动周期与理论公式计算结果相比较小。     

箱形梁在水下近距非接触爆炸作用下的整体毁伤研究

为了研究舰船在水下近场爆炸作用下的整体毁伤模式,根据相似原则设计了两种箱形梁模型,将TNT炸药置于模型中部正下方爆炸,通过改变爆距和药量来研究试验模型在不同爆炸工况下的整体运动特性,并利用高速摄影仪观察模型的动态响应过程.试验研究发现:在梁模型一阶湿频率与气泡脉动频率相近的条件下,气泡脉动会激起结构明显的整体弯曲运动;当爆距与最大气泡半径之比为1～1.5时,梁结构会发生中垂破坏,形成一个或两个塑性绞;当爆距与最大气泡半径之比为2～4时,梁结构会发生鞭状运动响应;水下爆炸气泡对水面结构的整体毁伤作用大于初始冲击波。     

圆形舭部附近气泡与自由面非线性耦合研究

用气泡动力学边界元模型分析圆形舭部附近气泡与自由面非线性耦合作用。基于不可压缩势流理论建立水下爆炸气泡动力学数值模型;针对自由面与壁面交界点须同时满足壁面边界条件、自由面边界条件的过约束问题,采用节点拆分方法结合交界处约束条件对传统数值模型进行改进;用所建数值模型对已有研究成果进行拓展,分析攻角、爆距对气泡与自由面动态特性影响规律,初步讨论浮力影响,以期为舰船抗冲击设计、研究提供参考。     

Computations of bubble formation and pulsations generated by impacting cylindrical water jets

The impact of a water jet onto a water surface can entrain air-bubbles whose pulsations provide acoustic sources. Such impacts can occur during the breaking of a wave, or on a smaller scale, when a raindrop strikes a puddle of water. A better understanding of this phenomenon can lead to improved characterizations of the ambient noise and acoustic detection algorithms. Liquid on liquid impacts correspond to a breakdown of classical hydrodynamic theory which assumes that the free surface remains smooth and topologically invariant. A computational model using a generalized theory of hydrodynamics designed to rigorously treat liquid collisions is described in this paper. Numerical simulations are compared to experiments of a liquid cylinder impacting a still-water surface The simulations provide details not only of the initial formation of the air-entrained bubble at the time of the cavity collapse, but also the subsequent pulsations of this bubble until it rises back to the free surface. Computed initial bubble sizes and natural frequencies are compared to the experimental results for different cylinder lengths.     

Some dynamical characteristics of a non-spherical bubble in proximity to a free surface

The motions of a gas bubble in proximity to a free surface with and without buoyancy force, as well as in shallow water are simulated based on a numerical time integration coupled with three-dimensional boundary integral spatial solution. The fluid is assumed to be inviscid, incompressible, and the flow irrotational. The unsteady Bernoulli equation is applied on the free surface and bubble surface as one of the boundary conditions of the Laplace equation for the potential. Improvements have been made in the mesh generation of the free surface and rigid boundary, the modeling of the toroidal bubble after the jet impact and the investigation into the combined effects on the motion of a bubble in the presence of the rigid bottom and free surface. The growth and collapse of a gas bubble together with the formation of the toroidal bubble after the jet impact are simulated. The shapes and positions of the bubble, the trajectories and velocities of the poles of the bubble as well as the pressure distributions in the fluid under different standoff distances and buoyancy parameters are obtained to better illuminate the mechanism underlying the motions of gas bubble and free surface. When a bubble is initiated sufficiently close to a free surface, the free surface spike and the second accelerating phenomenon of the free surface during the collapse phase can be observed. The buoyancy force has significant effects on the jet formation and development within the bubble and it may reverse the direction of the liquid jet when exceeding the effect of the Bjerknes force induced by the free surface. The large contortions in the shallow water and the formation of the high-pressure region between the bubble and the free surface are captured when the bubble is close enough to the rigid bottom and the free surface.     

水下爆炸气泡脉动的数值研究磁

利用AUTODYN软件模拟PETN药柱和TNT球形装药水下爆炸气泡脉动的过程,分析了脉动周期与最大半径随装药量、爆炸深度的变化规律。结果表明：当炸药所处的爆炸深度一定时,气泡膨胀最大半径与初始半径的比值、气泡脉动周期与初始半径的比值均为一个定值;一定质量的TNT装药水下爆炸时,气泡最大半径随爆炸深度呈指数形式变化且该变化规律与装药量无关;在不考虑重力的影响下,装药的爆炸深度一定时,当装药的初始半径成倍增加时,气泡脉动最大半径亦成相同倍数增加。     

壁面与自由液面联合作用下气泡动态特性实验研究

壁面与自由液面联合作用下，气泡的动态特性与单独一个边界条件作用时相比要复杂很多，难于从理论角度分析探讨。为深入探究壁面与自由液面联合作用下的气泡动态特性，采用安全性高且实验效果理想的200V直流电压电火花气泡发生装置生成气泡，依次改变气泡发生位置距壁面及自由液面的距离，同时采用高速运动分析系统对不同工况下的实验结果进行采集与分析，得到了壁面与自由液面联合作用下的气泡形态变化，同时通过对大量实验数据的总结归纳，得到壁面与自由液面联合作用对气泡脉动周期、迁移轨迹及气泡内射流方向的影响规律，从而为相关的理论与数值研究提供参考。     

A two-dimensional bubble near a free surface

A boundary integral technique is used in conjunction with a conformal map to examine the motion of a two-dimensional bubble near a free surface. For small times, the results are shown to compare well with a first-order perturbation expansion for the problem of the response of a free surface to a deeply submerged dipole. For a large bubble, far from the free surface the bubble deformation is found to agree with previous theoretical and experimental results for a two-dimensional bubble in an infinite fluid.     

模拟不同海拔水下爆炸气泡动态特性研究

不同海拔高度进行水下爆破工程时,因水体表面气压随海拔的升高而线性降低,其装药爆炸产生的气泡脉动过程及气泡大小将会发生一定的变化。通过爆炸载荷的测试以及高速摄影2种测试方法对气泡脉动进行了研究。结果表明:在海拔0～4 500 m范围内随着气压降低,气泡脉动周期按二阶多项式规律显著增大,2种方法所得数值误差小于3.8%,数据一致性较好;在海拔0～3 500 m范围内气泡最大半径随海拔升高而线性变大,而4 000 m和4 500 m有突跃变化。将研究结果与水下爆炸气泡周期理论公式进行了比较,并对理论公式在低气压这一特定条件下进行修正,得出的气泡脉动周期系数由原来的2.11修正为1.995,而气泡最大半径系数是一个与海拔有关的一次函数。     

水底爆炸气泡脉动特性

为研究水底爆炸气泡脉动特性,采用PAMFLOW软件和基于JWL状态方程的气泡脉动计算程序对水底爆炸气泡脉动特性进行了数值计算,并用经验公式对自由水域爆炸气泡脉动特性进行了计算.计算结果表明水底爆炸在整个气泡运动过程中,气泡的中心向海底贴附,并形成指向海底的高速射流,气泡被压扁;水底爆炸的气泡膨胀半径大于在无限水域中爆炸;2种数值计算结果比较吻合,且与经验公式计算结果相符,说明采用这2种数值计算方法来研究水底爆炸气泡脉动特性合理.     

陶瓷微孔膜管制造微气泡的研究

气浮工艺中气泡的大小是衡量气泡制造技术的关键.研究了陶瓷微孔膜管产生微气泡的条件,并对两种不同材质的微孔膜管产生微气泡的结果进行了比较,从气泡形成机理上分析了影响气泡粒径分布的因素.实验采用静态显微摄像技术和图像分析系统时气泡粒径分布进行了表征.实验结果表明,利用陶瓷微孔膜管产生的气泡粒径主要集中在15～50 μm之间,平均粒径在25.7～44.2 μm之间.微孔膜管的孔径大小、表面性能,气体流量,剪切流流速,液体表面张力,黏度是影响气泡粒径分布的主要因素.