水下爆炸气泡环状射流运动及载荷特性研究

Explosion bubble is a major cause of ship damage in underwater explosions. The elastic/plastic curved surfaces of ship structures will induce the bubble to develop a special kind of jet – annular jet. Annular jets initiates from the lateral parts of a bubble and accelerates radially inward, thus resulting in liquid collision around bubble center. Liquid splashing and pressure waves are thereby produced, causing potential damage to ship structures. This process involves violent interaction between gas, liquid and solid in a compressible fluid field, and hence is difficult to solve numerically or study experimentally. To solve such problem, this project aims to establish a dynamic model of bubble motion with annular jet based on compressible fluid dynamics and fluid-structure interaction theories. The model is supposed to be numerically solved with a combination of Finite Volume Method, Front Tracking and Finite Element Method, with its results verified by bubble experiments. On such basis, this project will further investigate the behavior and dynamic loads of annular jets. The main content of research includes: 1) establishing a dynamic model of bubble motion with annular jet in compressible fluid field; 2) studying the effects of plasticity, elasticity and curvature of boundaries and buoyance on the dynamics of annular jets; 3) investigating the dynamic loads of annular jets; 4) experimentally investigating the motion features and loads of annular jets.

水下爆炸气泡载荷是舰船毁伤的重要因素。真实水下爆炸中的船体弹塑性曲面结构将诱使气泡产生一种特殊的射流运动——环状射流。环状射流运动将导致液体间的高速冲击，并释放压力波，对水中结构造成毁伤。该过程涉及可压缩流场中复杂的多相流以及流固耦合运动。为此，本项目拟基于可压缩流体动力学理论及流固耦合理论，建立近场水下爆炸气泡环状射流的气-液-固耦合动力学模型，联合有限体积法、边界追踪和边界元法进行求解，并采用模型实验验证求解方法正确性。在此基础上，探索气泡环状射流运动和载荷规律。主要研究内容包括：1）可压缩流场中气泡环状射流动力学模型；2）弹塑性边界、曲面边界及浮力对气泡环状射流的影响规律研究；3）环状射流的压力载荷特性研究；4）气泡环状射流及载荷的机理性实验研究。

水下爆炸是水面舰船及潜艇生命力的主要威胁，爆炸冲击波和气泡都可能对舰船造成严重毁伤。对于气泡载荷，已有研究多基于平面刚性固定结构等边界条件展开研究，但在实际水下爆炸过程中目标舰船结构本身的形状、变形、位移以及浮力联合作用于爆炸气泡，诱导其产生极为复杂的运动和载荷现象，其中的一种具有代表性的现象即为本项目研究对象——环状射流。为此，本项目开展了如下四个方面的研究：1）可压缩流场中气泡环状射流动力学模型；2）弹塑性边界、曲面边界及浮力对气泡环状射流的影响规律研究；3）环状射流压力载荷特性研究；4）气泡环状射流及载荷的机理性实验研究。基于本项目的研究，给出了考虑可压缩性的水下爆炸气泡脉动及载荷数值模型与计算方法，建立了脉动气泡机理性实验方法和坍塌压力波载荷光测和电测方法，并开展了小当量水下爆炸实验。通过大量数值模拟和实验研究，得到的结论包括：1）当边界尺度与气泡最大半径相近、边界具有曲面形状、边界发生弹性变形，或边界在气泡作用下发生位移，均可能诱导产生环状射流，特别在无量纲距离低于0.5时环状射流更为显著；2）气泡受到固体边界和浮力的双重作用时可产生环状射流，3）环状射流发展过程中气泡周围液体沿径向相对运动并最终发生碰撞，碰撞产生压力波；4）环状射流液体碰撞后沿轴向运动，诱导产生高速射流以及局部气泡坍塌，坍塌再次释放压力波；5）对于直径为米量级的水下爆炸气泡，重力方向与结构相对于爆心的方向相反时环状射流现象更易产生，因此在投放深水炸弹攻击潜艇等符合此条件的应用中需要充分考虑环状射流对气泡载荷的影响。6）环状射流产生后，其载荷代替了单向射流砰击载荷，两种载荷特性不同，其毁伤效果需要结合水中结构或舰船设备特性具体分析。