多源水下爆炸气泡近水面耦合作用机理研究

Depending on the background of developing new principle of surface ship self-defense means, this project will study the coupling mechanism between multi-source underwater explosion bubbles and water the surface, and the relationship with the space distribution of explosive plume. Specific studies are as bellow: (1) Research on expansion, fusion, rupture processes of multi-source underwater explosion bubbles and the coupling dynamics between explosion bubbles and water surface. Establish a mathematical model of bubble shape evolution. (2) Research on the flow field changes in the interaction process of multi-fluid. Establish the links between the flow field and the bubble`s motion. Reveal the coupling mechanism between underwater explosive bubbles and water surface. (3) Research on the explosive plume phenomenon caused by the interaction between the multi-source underwater explosion bubbles and the water surface. Acquire the developing regulation of explosive plume shape and its relationship with the factors such as detonation depth, spacing, arrangement and the time evolution. Revealing the formation mechanism of explosive plume; (4) Establish the parameters calculation model of the space distribution of explosive plume. Predict the max height and width of the explosive plume under the given conditions. This project studies can develop multiple bubble coupling dynamics theory, promote the construction of explosive plume anti-missile weapon system, and provide a scientific basis and theoretical support for the design of large surface ship self-defense weapon system.

本项目以发展新原理水面舰艇自防御手段为背景，研究多源水下爆炸气泡近水面耦合作用机理及其与爆炸水幕空间分布之间的联系。具体开展如下研究：(1) 研究多源水下爆炸气泡膨胀、融合、破裂等及其与水面的耦合动力学特性，建立气泡形态演变数学模型；(2) 研究多流体相互作用过程中的速度、压力等流场变化，建立气泡动态特性与流场变化的联系，揭示多源水下爆炸气泡近水面耦合作用机理；(3) 研究多源水下爆炸气泡与水面相互作用后的爆炸水幕现象，获得水幕形态随起爆深度、间距、排列方式和时间的演变规律，揭示爆炸水幕的形成机理；(4) 建立爆炸水幕空间分布参数计算模型，预测给定装药量和起爆条件下爆炸水幕最大高度、宽度。本项目研究可发展多气泡耦合动力学理论，推进水幕反导武器系统的建设，为大型水面舰艇自防御武器系统设计提供科学依据和理论支撑。

近水面多源水下爆炸，能够形成具有一定空间和滞空时间的水幕，可用于拦截掠海飞行反舰导弹，对完善舰艇自防御体系、提高舰艇生存力具有重大军事意义。本项目采用量纲理论分析、水箱内水下爆炸试验和数值模拟等研究方法，对多源爆炸气泡近水面动力学特性，多源爆炸气泡耦合机理，爆炸水幕形成机理及形态演变规律等进行了研究，并取得了系列研究成果：（1）设计了多源水下下爆炸试验装置，开展了不同比例深度、比例间距、排列方式下的多源水下爆炸试验，采用边界追踪、数据拟合等方法，获得了“单气泡膨胀、气泡融合、融合气泡膨胀、收缩、对称斜射流贯穿气泡、气泡溃灭”等气泡形态，“水冢、水柱和水射流”等水幕形态的演变过程，及典型气泡耦合现象与水幕形态的关联；（2）开展了不同比例深度、比例间距、排列方式下的水下爆炸数值模拟研究，发现了对称斜射流现象，通过分析气泡内部、气泡-气泡边界之间及气泡-水面之间的流场变化过程，结合聚能效应理论分析，揭示了气泡耦合和斜射流形成机理；（3）数值模拟获得了水幕形态演变规律，确定比例间距在0.2~0.99之间，比例深度在0.59~0.99之间时，能够形成具有一定宽度、厚度和面域形态的水幕，且耦合后水幕高度较单爆源提高10%以上；（4）通过水幕形态与气泡运动、形态、流场变化之间的联系，结合理论分析，揭示了爆炸水幕形成机理；（5）通过无量纲分析和多元数据拟合方法，建立了耦合气泡最大半径和水幕空间分布工程计算模型。本项目解决了多源爆炸气泡近水面耦合机理、水幕形态与空间参数控制等关键科学问题，研究成果可为水幕反导系统设计提供参考依据。