基于界面追踪方法的水下爆炸气泡运动特性的数值计算研究

With the ripid development of the defense industry, the underwater explosion bubble impulse has an signification effect on the deformation and destroy of large vessels such as submarine and aircraft carrier. The equations of motion (EOM) of bubble are established by consideration of equation of state, equation of Navier-Stokes and boundary conditions. The coupled of Volume of fluid and level set method is introduced to track the interface of bubble based on the two-phase flows theory. A three dimension underwater explosion bubble dynamics code is developed, the numerical simulated results compare with the underwater explosion experiment. With this code, the interactions between an underwater explosion bubble and different boundaries are calculated and analyzed. The Factor affecting the expansion, collapse, migration and the jet formation are also discussed. The three-dimensioned numerical model is established to simulate the interaction of multiple bubbles based on single bubble dynamics. Some physical behaviors of the multiple bubbles are presented. The results of numerical simulation on dynamic behavior of bubble have valuable implications for correlative theory research and engineering calculations.

随着我国国防工业的发展，对潜艇或大型水面舰艇毁伤与防护需求的提高，水下爆炸气泡运动所具有的特性使其在军事领域的作用更为突出。针对气泡运动过程中存在的脉动、破碎、融合等复杂现象，需要采用能准确追踪气泡运动界面的数值计算方法揭示其运动规律。项目根据状态方程、Navier-Stokes方程与边界条件建立气泡运动的力学模型，基于两相流理论，采用Volume of Fluid与Level Set耦合算法，借助界面重构技术与追踪方法对水下爆炸气泡运动进行数值计算，通过相关实验考察力学模型、求解方法和计算结果的正确性和有效性，研究水下爆炸气泡运动的非线性力学行为，揭示射流形成机理与特性，了解气泡运动对流场流动特性的影响。以单气泡研究为基础，建立多气泡相互作用的力学模型，揭示多气泡耦合作用的运动规律与流场流动特性。为水下爆炸气泡运动数值计算研究提供新的解决思路，为提高结构防护能力提供理论依据和研究方法。

本项目首先基于EOS、N-S方程建立了水下爆炸二维气泡运动的力学模型，针对气泡运动方程，研究不同离散格式对计算精度与稳定性的影响，借助两相流理论与界面重构技术，采用VOF与LS耦合方法对气泡运动全物理过程进行数值计算，通过计算揭示气泡变形规律，预测其在重力、浮力、阻力共同作用下的非线性力学特性，获取气泡脉动周期、半径(体积)等关键参数，通过与实验结果对比，验证了气泡运动方程建立、算法与程序开发的正确性。.为研究不同流场边界条件下气泡运动规律与射流力学特性，以无限水域气泡运动力学模型为基础，针对不同的流场边界条件，分别建立气泡在自由面、刚性面附近运动的力学模型，利用VOF与LS耦合方法，结合界面重构技术，揭示气泡在近自由面、近刚性面运动的规律，通过与实验结果对比，验证数值分析结果。借助高分辨率界面追踪方法，对气泡坍塌形成的射流进行实时追踪，探讨流场边界条件、气泡初始位置等参数对射流方向、速度的影响.为研究多水下爆炸多气泡的运动特性，特别是多气泡运动过程中存在的气泡坍塌、射流、破碎以及气泡融合等现象。以单个气泡运动力学模型与数值算法研究为基础，建立多个气泡在无限水域、自由面、刚性面附近运动的力学模型，结合VOF与LS方法与界面重构技术研究多气泡耦合作用下气泡的力学特性与流场速度、压力分布规律。.最后，分析总结无限水域、近自由界面、近刚性界面水下爆炸气泡运动仿真分析的建模特点与相应的数值计算方法，开发一套基于VOF与LS方法，集水下气泡运动模型建立与数值计算的程序，能够实现水下爆炸二维气泡运动全物理过程的仿真计算。