水下爆炸非稳态局部空泡演变和闭合的力学行为研究

The anti-explosion capacity of ship structure is an important part of ship survivability. Exact computation of the response subjected to various loading in underwater explosion is the groundwork of ship structure anti-explosion and anti-shock design. When the warship is subjected to explosion of underwater weapon nearby local cavitations will appear on the wet surface of the ship structure, which is growing under external force and will collapse finally. When the local cavitations collapse it will generate prodigious pressure and impulse, which will induce various damages to the ship structure. As the process involves structure nonlinearity and fluid-structure-gas coupling the physical phenomena is very complicated and there is no clear explanation about it. This project focus on the theme of dynamic physics behavior of local cavitations in underwater explosion, which include discussing the growing and collapse mechanism of local cavitations in various condition under strong underwater shock, unveiling the instantaneous fluid-structure-gas coupling process when the cavitations growing and the energy changing mode in the growing and collapse journey, establishing the loading model in the growing and collapse process, and resolving the physics problems in the growing and collapse process of local cavitations. The result of this project will establish the scientific foundationstone of the underwater explosion base theory and anti-explosion design and evaluation of warship structure.

水下爆炸作用下舰船结构的抗爆能力是舰船生命力重要组成部分，准确获得舰船结构在水下爆炸各种载荷下的动响应是舰船抗爆抗冲击设计的基础。水中兵器靠近舰船爆炸时，在结构的湿表面会形成局部空泡(local cavitation)，该空泡在各种外力的作用力下发生变化并最终闭合。空泡闭合时将产生相当大脉冲压力和冲量，对舰船结构造成不同程度的损伤。由于该过程涉及到结构非线性、流固汽三相耦合等，物理现象非常复杂，目前国际上对该现象的认识都不是很清楚。本项目紧密围绕水下爆炸产生的局部空泡动力学行为这一主题，深入探讨水下强冲击作用下结构表面的局部空泡在各种情况下的演变、闭合的相关机理，揭示空泡演变过程中空泡区流固汽瞬态相互作用过程，以及空泡演变和闭合过程中的能量转换方式，建立空泡在演变和闭合过程中的载荷模型，解决水下爆炸爆炸局部空泡演变、闭合的力学问题，为水下爆炸的基础理论和舰船结构抗爆设计和评估奠定科学基础。

水下爆炸作用下舰船结构的抗爆能力是舰船生命力重要组成部分，准确获得舰船结构在水下爆炸各种载荷下的动响应是舰船抗爆抗冲击设计的基础。水中兵器靠近舰船爆炸时，在结构的湿表面会形成局部空泡，该空泡在各种外力的作用力下发生变化并最终闭合。空泡闭合时将产生相当大脉冲压力和冲量，对舰船结构造成不同程度的损伤。由于该过程涉及到结构非线性、流固汽三相耦合等，物理现象非常复杂。项目紧密围绕水下爆炸产生的局部空泡动力学行为这一主题，深入探讨水下强冲击作用下结构表面的局部空泡在各种情况下的演变、闭合的相关机理，揭示空泡演变过程中空泡区流固汽瞬态相互作用过程，以及空泡演变和闭合过程中的能量转换方式，建立空泡在演变和闭合过程中的载荷模型，解决水下爆炸爆炸局部空泡演变、闭合的力学问题，为水下爆炸的基础理论和舰船结构抗爆设计和评估奠定科学基础。.本项目采用理论研究、数值仿真和模型试验相结合的方法，开展了水下爆炸局部空泡闭合及其再加载的研究，取得了以下一些主要研究成果。.(1)开展了背气平板水下爆炸局部空泡试验研究，获得了局部空泡的主要形态。.(2)基于无粘可压缩流体的欧拉方程和体积分数输运方程，采用HLLC近似黎曼求解器对流体的控制方程进行空间离散，时间离散采用3阶Runge Kutta法，建立了气-液两相可压缩流体运动的理论模型。.(3)在空泡声学单元(CAFÉ)和GAP间隙元基础上，提出了描述专用的水下爆炸局部空泡水锤专用单元：流场采用CAFE单元，空泡闭合及再加载效应采用GAP单元进行描述，建立了能够分析水下爆炸作用下舰船结构局部空泡效应的流固相互作用计算方法。.(4)引入位移准则作为空泡再加载的判断准则,提出空泡水锤与结构的抨击、压缩和抨击+压缩的三种作用模式，构造基于上述三种模式的空泡水锤声学单元(CHAFE)模型。.(5)采用本项目建立的水下爆炸作用下舰船结构局部空泡效应的流固相互作用计算方法，对典型的舰船板架结构含水双层板在水下爆炸作用下的局部空泡的产生、闭合及其再加载效应进行了计算分析。