近刚性圆柱水下爆炸气泡动力学特性研究

针对刚性圆柱附近水下爆炸气泡的动力学特性进行了研究. 基于Navier-Stokes方程结合流体体积法捕捉气液两相界面,建立了数值模型;采用电容器放电产生水下爆炸气泡并用高速摄像机记录了气泡的脉动,并将实验结果与数值模拟结果对比验证了数值模型有效性. 通过数值模拟得到了气泡与刚性圆柱相互作用的流场细节信息. 结果表明:气泡在刚性圆柱附近脉动使得刚性圆柱表面流体介质存在速度梯度,速度较大的流体液层冲击气泡形成不同的气泡形状. 定义了一个量纲一的距离参数来表征气泡与刚性圆柱之间的相对距离,研究了距离参数对射流冲击压力、最大射流速度及气泡型心运动的影响. 随着距离参数的增大,射流冲击压力逐渐减小,气泡内部最大射流速度先增大后减小;气泡型心的偏移随距离参数的增加而减小.      

水下爆炸环肋圆筒损伤特性实验及数值模拟

根据鱼雷舱段壳体的特点提出一种内部带有环肋、两端连接配重的缩比圆筒结构模型,针对模型的损伤特性进行水下爆炸实验,并利用Autodyn软件对实验进行数值模拟计算. 结果表明,圆筒在不同爆距下产生塑性变形和破裂的损伤形式;气泡上浮会改变二次压力波的初始方位,造成水平方位圆筒的非对称损伤形态;当爆距较小时,冲击波造成壳体局部凹坑或破裂,而二次压力波则造成迎爆面整体变形. 比较数值模拟与实验结果可知,计算模型能够描述冲击波对圆筒的作用特性.      

气泡在静水中上升破裂产生射流特性的数值模拟

为了研究不同直径参数对气泡上升、破裂及产生射流的影响,建立了二维旋转数学模型,选用SIMPLEC算法进行数值计算,对单个气泡在静水中运动进行了数值模拟.采用VOF界面几何重构方案,追踪气泡运动过程中气泡表面的变化,并监测气泡上升速度随时间的变化特性.探讨了气泡在抵达自由液面时的破裂机理以及气泡破裂时产生射流的特性.结果表明:气泡在上升过程中逐步由球形变为椭球状,在到达液面时破裂,并产生射流,随着气泡直径的增加,气泡上升速度逐渐增大,气泡破裂时喷射的射流也越高.     

凝聚相炸药爆轰波冲击空穴塌陷过程的高精度数值模拟

利用高精度数值格式对凝聚相炸药爆轰波冲击空穴塌陷过程进行了研究. 采用RGFM和Level-set相结合的物质界面处理方法,克服了爆炸流场中高密度比、高压强比的物质界面容易引起数值振荡这一问题. 采用5阶WENO高精度有限差分格式进行空间离散,采用3阶TVD Runger-Kutta法进行时间离散,开发了高精度动态并行程序,并运用该程序对凝聚相炸药爆轰波冲击空穴后的塌陷过程进行了数值模拟,给出了PBX-9404炸药在不同入射压力下的起爆距离及冲击起爆过程中的压力历史曲线图,并分别与实验结果对比后进行了验证. 对凝聚相炸药中的空穴塌陷过程进行了高精度数值计算,给出了不同时刻的密度、压力和粒子速度云图,研究结果表明由于空穴的存在,爆轰波的传播过程中会在空穴处形成射流现象以及密度和能量的汇聚,进一步产生高温高压的热点.      

爆炸气泡与水面相互作用的数值模拟研究

为探究近水面水下爆炸水幕的形态及形成机理,采用LS_DYNA软件对0.6gRDX球形装药的水下爆炸过程进行了数值模拟. 数值模拟获得的水幕形态、气泡形态及气泡脉动参数等与实验结果进行了对比,验证了数值模拟方法的正确性. 通过观察气泡与水面之间的速度流场变化过程,分析了速度流场变化与水幕、气泡形态的对应关系,揭示了爆炸水幕的形态演变规律和形成机理. 研究结果表明,不同起爆深度下,气泡与水面之间的相互作用过程差异明显,直接影响了爆炸水幕的形态;径向、垂直喷射水柱的形成均产生于气泡膨胀阶段;水射流的形成与气泡是否破裂无关.     

双孔劈裂条件下地应力及孔间应力的耦合分析

针对注浆过程中的裂纹扩展问题,通过理论分析和数值模拟,研究了地应力与孔间应力耦合作用下劈裂注浆的作用机理.研究结果表明:单孔劈裂主要受地应力影响,钻孔沿着最大主应力方向或垂直于最小主应力方向扩展.双孔劈裂受到地应力与孔间应力扰动的耦合作用,相当于力矩合成定理,使钻孔沿其合力方向扩展(孔距较大时相当于两个单孔劈裂);其劈裂破坏过程可分为应力积累、裂纹稳定扩展、失稳破坏三个阶段,双孔间观测点处的最大主应力和孔隙水压力会随着计算步数的增加分别对应形成应力跌落区和能量累积区;钻孔间距较小时初始起裂压力的变化不明显,而间距较大时初始起裂压力随侧压力系数的增加而增加.     

冲击-斜波加载下锆的动力学特性

本文基于磁驱动装置CQ-4完成了冲击-斜波加载实验设计,开展了金属锆在不同加载条件下先冲击再斜波压缩新热力学路径下的动力学特性研究.实验结果显示,加载压力峰值约为25 GPa,三个样品的波剖面结构依次为弹塑性转变、冲击波和斜波压缩,当冲击加载压力在相变压力附近约10 GPa时可以获取含有明显相变特征的速度波剖面,而冲击压力在20 GPa时冲击波覆盖相变波,速度波剖面无法观测到10 GPa附近的双波结构.加载压力峰值约为44 GPa,速度波剖面无弹塑性转变和相变特征为单波结构.结合多相状态方程和非平衡相变速率方程对锆的冲击-斜波压缩过程进行了数值模拟,计算与实验结果吻合良好,可以较好地模拟锆的冲击-斜波压缩实验过程.     

雷暴冲击风作用下地面风压分布特征

提出了雷暴冲击风作用下地面风压分布的简便计算公式.以圆柱体计算流域模拟雷暴冲击风场,采用大涡模拟(LES)方法结合壁面射流模型对雷暴冲击风场进行了数值模拟,获得了雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程.射流前沿有一水平涡环,随着时间的推移而冲向地面,然后沿径向远离中心而去.分析得到了雷暴冲击风作用下地面的风压系数时程和时均风压系数,以及不同时刻的风速剖面.风速剖面与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性.仿真结果表明,雷暴冲击风场中心处压力系数最大,压力系数随着径向坐标的增大而减小,提出的公式能够很好地表达雷暴冲击风作用下地面处风压的分布特征.     

初始形状对浮升气泡动力特性的影响

采用Level Set方法,三维直接数值模拟了浮力作用下单个气泡的上升运动.数值模拟中,气液系统的物性参数设置为埃奥特沃斯数Eo=1～103,莫顿数Mo=10-10～102.数值研究了气泡的初始形状对气泡的变形和上升速度的影响,并与文献中结果进行了比较;给出了高Eo时气泡由球帽状转变为气泡环的结构相图,确定了二者形状转变的Eo和Mo;最后详细分析了初始形状影响气泡动力学特性的机理.模拟结果表明:低Eo(Eo<52)时浮升气泡的终端形状与上升速度基本不受初始形状的影响;高Eo和低Mo时的浮升气泡受初始形状的支配,呈现出球帽状和气泡环两种最终形状,初始气泡的高宽比越大,气泡越容易变形为气泡环,上升速度的脉动也越剧烈.     

岩石冲击损伤演化规律数值流形方法模拟

采用应力波衰减损伤模型对仅适用于模拟基于线性本构关系和恒定载荷作用下物体变形规律的数值 流形程序进行了扩展;利用扩展后的程序对岩石长杆在冲击载荷作用下的损伤演化规律进行了模拟,得出了不 同位置点处的损伤演化曲线和材料总体的损伤演化曲线。模拟结果表明,损伤的增加主要集中在冲击载荷作用 的初始阶段,随着时间的推移,应力波强度衰减,损伤将不再明显增加。     

组合帷幕阻波帘对水下冲击波的防护特性分析

帷幕阻波帘对水下冲击波具有衰减作用，有利于水下建筑物保护，防止生态环境恶化，维持原始水域生态平衡，因此应用帷幕阻波帘减弱冲击波的破坏作用具有重要的现实意义。针对水下爆破高能量冲击波和反复形成的气泡脉动现象，设计了气泡帷幕与气泡膜帆布帘分段防护组合式帷幕阻波帘。首先应用Zamyshlyayev经验解析方法计算气泡帷幕对冲击波的压力衰减过程,在此基础上采用ANSYS LS-DYNA模块，模拟分析最优阻波帘设计方案。通过在水下4米使用300克乳化炸药作为爆源，距试验药包半径3m布置水击波测点及半径9m处布置鱼类网箱进行测试，试验结果表明，冲击波综合衰减率为97.72%～98.29%，满足了对水下冲击波防护特性的要求,验证了组合帷幕阻波帘设计的合理性。     

强激波冲击Kr重气泡的三维数值研究

对马赫数为2.2的强激波与Kr重质气泡的作用过程进行了三维数值模拟,重点考察了反射激波对变形Kr气泡的影响。研究结果显示:强激波对Kr气泡的压缩与扰动作用增强;且反射激波引起的斜压效应可明显改变流场区域的涡量分布。此外,Kr气泡区域的三维涡结构受流场扰动影响会变形失稳并形成流向涡,弯曲项和拉伸效应是流向涡形成的最主要来源。     

含铝炸药水下爆炸特性研究

对1kg柱形某含铝炸药进行了水下5m的水池爆炸实验,并基于AUTODYN软件模拟了含铝炸药水下爆炸冲击波与气泡脉动规律,研究了非理想爆轰对冲击波与气泡特性的影响.模拟研究表明,Miller能量释放模型能够准确地反映含铝炸药的非理想爆轰过程,可准确模拟出冲击波后期压力值、气泡二次压力以及气泡的周期与半径,计算值与实验值具有较好的一致性.以此为基础研究了装药参数及起爆方式对近场冲击波压力峰值的影响,有限元模型、方法以及计算结果对相关研究和计算具有一定的参考价值.     

不同设置方式下气泡帷幕对水中冲击波衰减特性的研究

为研究不同布置形式的气泡帷幕对水中冲击波的削减特征,设计了三因素三水平的正交数值模拟试验,并结合敏感性分析的方法分析了气泡帷幕数量、气泡帷幕间距以及气泡帷幕防护距离三个因素对水击波削减作用的影响,结果表明气泡帷幕数量和气泡帷幕防护距离影响较大,多数量且靠近被保护对象的布置形式有利于气泡帷幕对水中冲击波的削减作用。     

金属熔体中高强超声空化气泡运动的数值研究

导出了可压缩液体中空化气泡泡壁运动方程,用该方程对高强超声场作用下铝熔体中空化气泡的运动规律进行了数值求解。结果表明,导出了泡壁运动方程保留了Ｕ／Ｃ的高次项,精度高于传统的不可压缩液体泡壁运动方程;高强超声场作用下铝熔体中空化气泡溃灭时可产生极高压冲击波;超声声压幅的大小对空化的强度和密度影响很大。     

熔池自激振荡的力学模型

本文提出熔池内钢水波动过程中的粘性损耗、回流运动与气泡上浮的能量可互为补偿,形成接近于无损的“自激振荡”式的波动。经过近似处理,推导出自激振荡的力学模型。在水模实验中可以看到,气泡上浮激发的是A型波,而生产实践中一般也激发A型波。按本力学模型所进行的流场速度计算,与在水模实验中所进行的二维激光测速的实测流场相比较,其分布与数值相当一致。     

喷管不足膨胀冲击喷流的数值研究

针对喷管不足膨胀冲击喷流具有复杂波系结构的特点,应用高分辨率的ＴＶＤ格式建立了求解轴对称Ｎ－Ｓ方程的数值研究方法．对一定压比的冲击喷流在不同的喷管和平板间距下的流场进行了数值计算,得到了冲击喷流的复杂波系．对冲击喷流中盘形激波的形状、冲击平板的压力分布以及二者的关系进行了研究分析,揭示了冲击喷流产生分离泡的机理．     

用激波管测量固体介质中的空间电荷分布

本文分析了压力阶跃波法测量固体介质中空间电荷分布的基本原理,讨论了激波在气体激波管内的传播及气体激波作用于固体时在固体内引起的波动的过程。用直径为113mm的激波管为主体构成了空间电荷测量系统,并用压力传感器和微型计算机构成了激波波速测量装置,从而较准确地获得了激波波速、激波压力阶跃波形等有关参数。并得到了一些空间电荷的测量结果。     

有氧化剂(AP)含铝炸药水中爆炸数值模拟

为了实现含有氧化剂AP的含铝炸药(下称PBX—3炸药)的水中爆炸参数的预估,利用Φ50 mm圆筒试验确定了PBX—3炸药爆轰产物JWL状态方程参数;并在此基础上开展了PBX—3炸药水中爆炸数值模拟,计算得到了冲击波峰值压力、比冲击波能和气泡脉动周期,计算结果与试验结果吻合良好。研究结果表明,基于圆筒试验确定的爆轰产物JWL状态方程参数,可以准确计算有氧化剂含铝炸药的水中爆炸参数,对于该类炸药的能量评估有一定参考价值。     

不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验

高压水射流的柔性冲击力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,喷嘴的出口形状对射流的冲击力影响较大。设计了5种不同形状的喷嘴,在自主设计的水射流冲击测试平台上开展了冲击实验,并采用PVDF压电薄膜传感器和高速摄像机来记录测试数据。实验结果表明：在相同的工况下,圆形喷嘴水射流的集束性最好,冲击诱导的冲击波对流体的扩散形态影响最大,最终导致其中心冲击压力最大;依次是正方向喷嘴、三角形喷嘴与十字形喷嘴,椭圆形喷嘴的水射流形态最为发散,其中心冲击压力最小;所有喷嘴形状水射流的峰值压力均随系统泵压的增加呈现非线性增加的趋势,而峰值压力持续时间几乎保持不变。