水下爆炸水平集方法数值模拟

论文摘要

水下爆炸是一个非常复杂的能量转换的物理化学过程,其巨大的破坏力对舰船等水中结构物构成了最严重的威胁。从二战迄今,世界上所有被击毁或炸坏的舰船中,绝大多数是被鱼雷、水雷等高能爆炸物引起的水下爆炸载荷导致的。因此,研究水下爆炸的毁伤效应对于提高舰船的生命力和战斗力具有重要意义。水下爆炸物理过程一般分为装药爆轰,冲击波的产生与传播以及气泡脉动三个过程,而水下爆炸冲击波及其与结构的相互作用一直是人们研究的焦点。然而,以往的研究大多关注冲击波的远场特性,比如著名学者Cole和Zamyshlyayev关于冲击波压力和比冲量的经典经验公式的适用范围都是在远场。关于冲击波近场特性,由于实验测量很困难,数值计算难度也很大,因此,可参考的文献很少。但冲击波近场特性,特别是1≤R/R0≤6（R0为药包的特征尺寸,R为测点距离）范围内冲击波压力和比冲量的衰减规律,对于了解水下爆炸冲击波的传播规律有重要意义,有利于确定已经传播很远的冲击波波前传播的条件,有利于估算压力波所释放的全部能量。首先,本文通过水平集方法对水下爆炸一维球对称模型进行数值模拟,特别对其中的冲击波近场特性进行了研究,然后将该算法推广到二维平面域,对水下爆炸冲击波与自由表面及其以水中刚体结构物的相互作用进行了研究。其基本方法是,采用Euler法描述流体动力学方程,利用水平集方法捕捉多介质流的运动边界,通过高分辨率、高精度的总变差递减（TVD）格式求解欧拉方程。本文的主要内容为:（1）建立了水下爆炸一维球对称模型,水的状态方程采用考虑相变的two-phase状态方程,利用水平集方法捕捉爆炸物和水的交界面,编制程序进行了数值计算。（2）将程序计算值与理论值和经验值进行了比较,验证了程序的可靠性,并对网格收敛性进行了研究。最终,通过计算得到了冲击波近场6倍药包范围内的压力、比冲量和时间衰减常数的近似回归公式,具有一定参考价值。（3）将水平集方法推广到二维平面域,对近水面水下爆炸进行了数值模拟。初步得到了水下爆炸冲击波与自由表面、水下刚体结构物相互作用的情况。计算验证了,气泡内部始终存在与实验相符的二次冲击波,说明了程序的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 舰船抗爆与舰船生命力
• 1.2 水下爆炸研究概况及发展趋势
• 1.2.1 水下爆炸过程描述
• 1.2.2 水下爆炸毁伤效应
• 1.2.3 水下爆炸冲击波研究方法与进展
• 1.2.4 结构在水下爆炸冲击波作用下破坏机理研究
• 1.3 本文的主要工作
• 2 水平集方法理论基础
• 2.1 界面数值模拟方法研究进展
• 2.2 水平集方法
• 2.2.1 水平集方法基本思想
• 2.2.2 φ满足的方程
• 2.3 本章小结
• 3 1D球对称模型近场冲击波特性研究
• 3.1 本章简介
• 3.2 建立流体动力学方程
• 3.2.1 欧拉方程
• 3.2.2 材料状态方程
• 3.3 数值方法
• 3.3.1 水平集方法处理运动界面
• 3.3.2 计算网格处理
• IB的求解'>3.3.3 混合网格区域Ω_IB的求解
• IN的求解'>3.3.4 一般网格区域Ω_IN的求解
• 3.3.5 程序说明
• 3.4 程序的验证
• 3.4.1 冲击波压力计算值和理论值比较
• 3.4.2 冲击波压力和比冲量计算值与经验公式值比较
• 3.5 冲击波近场特性研究
• 3.5.1 网格收敛性研究
• 3.5.2 相似性研究
• 3.5.3 冲击波近场的压力和比冲量分析
• 3.6 本章小结
• 4 2D近水面水下爆炸数值模拟
• 4.1 本章简介
• 4.2 建立流体动力学方程
• 4.2.1 欧拉方程
• 4.2.2 流体状态方程
• 4.3 数值方法
• 4.3.1 水平集方法捕捉运动边界
• 4.3.2 求解2D欧拉方程和Level Set方程构成的方程组
• x（Δt）混合网格区域的Ω_IB求解'>4.3.3 L_x（Δt）混合网格区域的Ω_IB求解
• x（Δt）一般网格区域Ω_IN求解'>4.3.4 L_x（Δt）一般网格区域Ω_IN求解
• 4.3.5 无反射边界条件
• 4.4 程序说明
• 4.5 计算结果与分析
• 4.5.1 计算参数设定
• 4.5.2 冲击波和流场演化情况
• 4.5.3 结构物受到的冲击
• 4.6 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 附录A 水下爆炸过程中各变量变化云图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢