基于SPH方法的爆轰模拟研究

论文摘要

本文以舰船水下爆炸的研究为背景,对难以使用基于网格数值方法模拟的高能炸药爆炸过程进行研究分析。高能炸药爆炸的极端瞬时具有极大变形和高度非均匀的动力学极端特性,而光滑粒子流体动力学（SPH）方法是一种适合于求解流体动力学问题的自适应、无网格、粒子形式,且具有拉格朗日性质的数值模拟方法,它避免了网格变形等问题,适宜处理大变形和冲击荷载问题,为高能炸药爆轰模拟奠定了可靠的基础。高能炸药一维爆轰问题常被作为测试高能炸药爆炸数值模拟方法的基准检验问题。在爆轰的数值模拟中,采用合适的计算方法及相应的计算程序,在计算机上数值求解流体力学方程组,以正确反映爆轰过程,对于爆轰理论以及工程应用研究,都是十分重要的。本文基于SPH方法应用带有人工粘性的离散化欧拉方程对高能炸药一端引爆半无限长装药爆轰过程和中点引爆有限长装药的爆轰过程进行了数值模拟。从典型爆轰算例来看,SPH方法正确预测了高能炸药爆轰的起爆过程中的关键特征,通过数值模拟结果与理论值和实验C-J值的对比分析可知,应用SPH方法能较好地预测出爆轰过程中的压力、能量、密度和速度分布,且各物理量均达到了较高精度,验证了SPH方法对高能炸药爆轰过程模拟计算的正确性。最后对早期水下爆炸数值分析所用的人工爆炸模型与本文的真实爆炸模型进行了对比分析,并对两种模型进行了详细的分析讨论。本文将SPH方法成功地应用于具有复杂物态方程的水下爆炸高能炸药初始爆轰问题,为水下爆炸提供了一种新型的无网格研究方法和研究基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 爆轰数值模拟研究现状
• 1.2.1 爆轰理论的发展
• 1.2.2 爆轰数值模拟的发展
• 1.3 SPH方法研究现状
• 1.3.1 基于网格数值方法局限性
• 1.3.2 无网格数值方法可行性
• 1.3.3 SPH方法国内外研究现状
• 1.4 论文主要工作
• 第2章 爆轰理论基础研究
• 2.1 爆轰波C-J理论
• 2.1.1 爆轰波基本方程
• 2.1.2 爆轰波瑞利线
• 2.1.3 爆轰波雨贡纽曲线
• 2.1.4 爆轰波稳定传播条件
• 2.2 爆轰波ZND模型
• 2.3 炸药爆炸性能参数
• 2.4 爆轰产物JWL状态方程研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 SPH方法基本理论研究
• 3.1 SPH方法基本方程
• 3.1.1 函数的核近似
• 3.1.2 导数的核近似
• 3.1.3 函数粒子近似
• 3.2 光滑核函数研究
• 3.2.1 光滑核函数特性
• 3.2.2 常用光滑核函数
• 3.3 基于SPH方法爆轰控制方程
• 3.3.1 流体控制方程
• 3.3.2 密度SPH近似
• 3.3.3 动量SPH近似
• 3.3.4 能量SPH近似
• 3.3.5 爆轰控制方程
• 3.4 爆轰模拟的SPH技术研究
• 3.4.1 人工粘度
• 3.4.2 可变光滑长度
• 3.4.3 相互作用对称化
• 3.4.4 边界处理
• 3.4.5 邻近粒子搜索技术
• 3.5 数值模拟流程设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于SPH算法的半无限长装药模型研究
• 4.1 高能炸药爆轰参数理论计算
• 4.2 一端引爆半无限长装药理论算法
• 4.3 一端引爆半无限长装药SPH算法研究
• 4.4 基于SPH的数值解与理论解对比分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于SPH算法的有限长装药模型研究
• 5.1 中间引爆有限长装药理论算法
• 5.2 中点引爆有限长装药SPH算法研究
• 5.3 基于SPH的数值解与理论解对比分析
• 5.4 粒子分布密度对SPH算法影响分析
• 5.5 人工爆炸模型与真实爆炸模型比较研究
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢