水中爆炸冲击波传播与气泡脉动的实验及数值模拟

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水下爆炸冲击波作用下的空化效应数值仿真研究

水下爆炸冲击波作用下的空化效应数值仿真研究宗智;陈岗;叶帆;李海涛;赵延杰【摘要】水下爆炸冲击波会使自由液面和结构附近的水域产生空化效应，引起的空化区域在闭合溃灭时会对结构产生较大的二次加载现象。

文章理论分析了空化区域的形成，并用ABAQUS模拟计算了水下爆炸冲击波产生的空化区域的膨胀扩大、收缩溃灭过程，将模拟结果与实验值进行比较，结果表明，ABAQUS可以很好地模拟水下爆炸冲击波引起的空化现象，并验证了空化溃灭时对结构的二次加载作用是不可以忽略的。

%Cavitation can occur in water area near the free surface and structure subjected to underwater shock. A high reloading pressure is generated when the cavitation region collapses. In this paper, the for-mation of cavitation region is analyzed in theory. The evolution and closure of cavitation region are numer-ically simulated by ABAQUS and compared with experimental values. The results show that cavitation canbe simulated very well by ABAQUS and the secondary pressure producedin the fluid near the cavitation closure point is proved to be non-ignorable.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】10页(P385-394)【关键词】水下爆炸;数值模拟;空化效应;二次加载【作者】宗智;陈岗;叶帆;李海涛;赵延杰【作者单位】大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院，辽宁大连 116024;中国船舶与设计研究院，上海 200011;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院，辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】O38;TV131.21 引言水下爆炸主要包含两个阶段：冲击波阶段和气泡脉动阶段，但实际上除了上述两个主要爆炸载荷外，还会有空化效应引起的二次加载对结构的影响。

水中电爆炸气泡动态特性试验研究

可以较好地得到水下爆炸后气泡脉动和射流的诸多特性，为揭示水下爆炸气泡运动特性提供了参考。
关键词：水下电爆炸中图分类号：ＴＪ５
高速摄影
气泡
脉动
射流文章编号：１００３－４８６２（２０１３）０５ — ００２３－０４
船电技术１应用
赵海峰，操戈
（１．海军工程大学，武汉４３００３３；２．海军某代表室，武汉４３００６０）摘要：由于现实大药量水下爆炸实验的气泡运动性态，难以很好地利用高速摄影进行拍摄。本文通过自主设计的实验电路，模拟水下电爆炸的各种工况，证明了低电压充放电电路实现水下微型电爆炸的可能性，
（１．ＮａｖａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ４３００３３，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｖａｌＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｓＯｆｆｉｃｅｉｎＷｕｈａｎ，Ｗｕｈａｎ４３００６０，
０引言
研究水下爆炸的特性，除了之前较为系统的
光测效果更好的电爆炸，并结合高速摄影技术进行试验，取得了令人满意的效果。如Ｃｈａｈｉｎｅ］，Ｂｌａｋｅｊ等和张寒虹１５－７１等研制的高压电水下电爆炸装置，Ｔｕｒａｎｇａｎ［８］等和张阿漫等研制的低压电水下电爆炸装置。

水下爆炸气泡脉动的数值计算

水下爆炸气泡脉动的数值计算
王振宇，兆田，唐王善，王云
（尔滨工程大学建筑工程学院，哈黑龙江哈尔滨１００）５０１
摘
要：水下近场爆炸可分为装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动．尽管气泡脉动压力峰值较冲击
（ｏｌｇｆＣｉｉＥｎｉｅｒｇＣｌｅｏｖｌｇｎｅｉ。ＨａｂｎＥｎｉｅｒｎｉｅｓｔｅｎｒｉｇｎｅｉｇＵｎｖｒｉｙ，Ｈａｂｎ１００，ｉａｒｉ５０１Ｃｈｎ）
ＡｂｔａｔＮｅｒｆｅｄｕｄｒｔｒｅｐｏｉｎａｅｄｖｄｄｉｔｈｅｈｓｓｘｌｓｏｆｃａｇｓｅｅａｓｒｃ：ａ－ｌｎｅｗａｅｘｌｓｏｓｃｎｂｉｉｅｎｏｔｒｅｐａｅ：ｅｐｏｉｎｏｈｒｅ；ｇｎｒ — ｉｔｏｎｒｐｇｔｏｆｂａｔｗａｅｆｒｔｏｎｕｓｔｎｏｕｂｅ．Ａｌｈｕｈｔｅｐａａｕｆｔｅｉｎａｄｐｏａａｉｎｏｌｓｖｓｏｍａｉｎａｄｐｌａｉｆｂｂｌｓｌｏｔｏｇｈｅｋｖｌｅｏｈｂｂｌｕｓｔｎｐｅｓｒｓｉｅａｉｅｙｓｌｃｍｐｒｄｔｈｔｏｈｈｃｖｓｈｔｅｕｔｎｏｈｕｂｅｐｌａｉｒｓｕｅｓｒｌｔｖｌｍａｌｏａｅｏｔａｆｔｅｓｏｋｗａｅ，ｔｅａｔｎａｉｆｔｅｏｏｂｂｌｅｅｇｅｓｖｒｌｗｏｐｒｄｗｉｈｔｅｓｏｋｗａｅ．Ｂｃｕｅｏｈｓｈｉｉｆｅｃｓｏｔｕ — ｕｂｅｎｒｉｓｉｅｙｓｏｃｍａｅｔｈｈｃｖｓｅａｓｆｔｉ，ｔｅｒｎｌｎｅｎａｓｒｃｕｔｒａｎｔｂｅｌｃｅ．Ｗｅｄｒｖｄａｍｐｏｅｑａｉｎｆｒｂｂｌｕｓｔｎａｄｐｅｓｒｉｔｉｕｉｎｕｅｃｎｏｅｎｇｅｔｄｅｉｅｎｉｒｖｄｅｕｔｏｕｂｅｐｌａｉｎｒｓｕｅｄｓｒｂｔｏｏｏｉｎｕｄｒｔｒｅｐｏｉｎ，ｃｎｉｅｉｇｅｅｇｏｓｓａｄｔｅｅｆｃｓｏｉｔａｏｃｓａｄｂｂｌｎｒｉｓｎａｎｅｗａｅｘｌｓｏｏｓｄｒｎｎｒｙｌｓｅｎｈｆｅｔｆｖｒｕｌｒｅｎｕｂｅｅｅｇｅｆｏｈｈｒｃｅｉｔｓｏｉｂｂｌｕｓｔｎｎｔｅｃａａｔｒｓｉｆｒｕｂｅｐｌａｉ．Ｔｈｎｔｅｄａｔｒｅｉｄ，ａｄｖｌｃｔｆｕｂｅｐｌａｉｎｃａｏｅｈｉｍｅｅ，ｐｒｏｎｅｏｉｏｂｌｕｓｔｏｓｙｂ

水中爆炸气泡脉动现象的实验研究

比（．５ＰＴＮ炸药水中爆炸产生的气泡形状近似球形，泡脉动周期和半径随炸药质量的增加而增大。在１０）Ｅ气
膨胀阶段，泡中心位置保持不变，着体积的不断缩小，泡上浮越来越明显。受重力影响，泡下表面收气随气气
水中爆炸气泡脉动现象的实验研究
汪斌，张远平，王彦平
（国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室，中四川绵阳６１０）２９０
摘要：实验水箱中采用高速摄影技术获得了炸药水中爆炸气泡脉动过程图像。实验结果表明：长径在短
缩速度高于上表面，收缩至最小时下表面向上冲顶，泡溃灭形成水射流。在气关键词：炸力学；泡脉动；中爆炸；射流爆气水水
中图分类号：８．０３３１国标学科代码：１０・５３３文献标志码：Ａ
第６期
汪
斌等：水中爆炸气泡脉动现象的实验研究
贴有一层２厚的低密度吸能材料，０ｍｍ实验结果表明采用此方法可以显著提高数据真实性和气泡图像
质量嘲。
３实验结果及分析
３１气泡脉动图像．
３种规格ＰＴ炸药柱水中爆炸后的典型气泡脉动过程图像如图２所示，中从左至右列出了气ＥＮ图泡产生、胀至最大以及收缩至最小的整个脉动过程。本文中以４５ｇＰＴＮ炸药水中爆炸气泡脉动膨．Ｅ过程为例分析相关现象：炸药起爆时刻为ｔ，中黑线为起爆电缆，部白色细线为鱼线，固定＝０ｍｓ图底在炸药的同时可以减少外界条件对气泡脉动过程的影响。炸药起爆以后，温高压的爆炸产物压缩周围高流体，迅速向外膨胀，成一个爆炸气泡，上表面受雷管套等残余物影响而变得不清晰。随着气泡体形其积的增大，泡内气体压力逐渐减小，胀速度逐渐降低，气膨当气泡内气体压力和周围流体静压相等时，由

水下爆炸冲击波压力时程的数值模拟

０：．密度取１５０ｋ／初始比内能４１Ｊｋ，始爆轰速度６９ｍｓ９０３，８ｇｍ，．９Ｍ／ｇ初．３ｋ／。空气状态方程。）ｅ
基金项目：南省科技计划重点攻关项目（９１２１２０；河０２０２０５）河南科技大学博士科研启动基金项目（０７２０）作者简介：梅群（９０一）男，南偃师人，师，士，究方向为工程力学．１８，河讲博研
测得了爆炸相似率系数，与理论符合较好。刘科种采用ＡＴＤＮ数值计算软件，ＴＴ水下爆炸ＵＯＹ对Ｎ
冲击波传播过程进行了数值模拟，比较准确地反映了冲击波在水中传输时的衰减演化过程。本文基于Ｌ．ＹＡ程序，半无限水域中球形装药所产生的冲击波以及气泡运动进行模拟，而ＳＤＮ对进
文章编号：６２—６７（０００１７８１２１）４—０５００７— ３
水下爆炸冲击波压力时程的数值模拟
梅群，中华朱俊锋李作良侯，，
（．南科技大学规划与建筑工程学院，南洛阳４１０；．参工程兵科研三所，南洛阳４１２）１河河７０３２总河７０３摘要：用Ｌ —ＹＡ程序对水下爆炸冲击波进行了数值模拟研究。首先模拟了半无限水域下的爆炸冲击波运ＳＤＮ的形成以及气泡运动规律，析了爆炸波的压力时程曲线。在此基础上，一步讨论了水下爆炸冲击波与水分进

水下爆炸中的流体力学

dV ）
d divV dt
c2 dP d
式中： V-速度矢量，m/s； P-压力，Pa；
-介质密度， kg / m3 ；
c-介质波速，m/s 分析水下爆炸的问题过程中，由于冲击波通过介质后熵值变化很小，接近于等熵过程。水的等熵状态方程为：
水下爆炸中的流体力学
一、绪论
水下爆炸炸药、鱼雷、炸弹或核弹等在水中的爆炸,是一个极短时间内，在有限体积或面积上发生极大能量转换的过程。其过程大体可分为三个阶段：装药的爆轰、冲击波的产生、气泡的形成和脉动。由于水下爆炸冲击波的强破坏效应，故在国防军事、国民经济建设、生物医学等领域都具有重要地位。水下爆炸冲击波的传播规律及其动力效应是水利水电工程、航运工程和爆破工程等领域关注的一个重要问题,直接关系到水下设施的安全和容器状构筑物爆破拆除参数的合理选取,因而具有重要的工程价值和理论意义。军事上，对水下爆炸冲击波的研究一直是舰船抗爆保护的重点。目前,国内外水下爆炸的研究主要趋向于理论分析、实验研究和数值计算三种方法有机结合所进行的综合性探索。然而由于其复杂性，该领域一直以实验研究为主。近年来随着计算机技术和计算理论的快速发展，使得人们可以通过数值模拟的方法对水下爆炸的各种现象进行预报。各种计算机软件大大方便了这一领域的研究工作。近年来,随着一批大型通用程序的出现 ,基于通用程序的数值模拟方法已成为研究水下爆炸冲击波和气泡脉动的重要手段。目前能模拟水下爆炸冲击波和气泡脉动的通用程序主要有 DYNA,DYTRAN 和 AUTODYN。国内外已有不少学者运用 DYNA 和 DYTRAN 对水下爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟研究。
W 1/3 pmb 7.24 R I b 2.227 (QW )2/3 h1/6 R

水中金属丝电爆炸冲击波一维数值模拟_李兴文_晁攸闯_吴坚_贾申利_邱爱慈

One-Dimensional Simulation for Shock Waves Generated by Underwater Electrical Wire Explosion
LI Xingwen, CHAO Youchuang, WU Jian, JIA Shenli, Qiu Aici
(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)
第 49 卷第 4 期 2015 年 4 月
西安交通大学学报 JOURNAL OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
Vol.49 No.4 Apr. 2015
水中金属丝电爆炸冲击波一维数值模拟
李兴文，晁攸闯，吴坚，贾申利，邱爱慈
(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，710049，西安) 摘要：为了明确水中金属丝电爆炸冲击波的形成机理，基于经典活塞模型，采用相似参数法，引入双人工黏性系数，建立了水中金属丝电爆炸冲击波的一维计算模型。以等离子体放电通道边界膨胀轨迹作为模型唯一的输入参数，得到水中冲击波传播的时间与空间分布规律，通过与其他文献实验结果的对比，验证了本文计算方法的有效性。模拟结果表明，双人工黏性系数法使计算得到的冲击波更符合实际情况。爆炸初始时刻，等离子体放电通道边界膨胀压缩周围水介质产生的冲击波高达 GPa，冲击波压强峰值与径向传播距离的-0.7 次幂成正比关系。本文采用的计算方法既不涉及脉冲放电过程以及复杂的放电等离子体物理变化过程，也不涉及放电通道与水的物理化学作用过程，只需根据诊断实验得到放电通道边界膨胀轨迹，即可模拟水中金属丝电爆炸冲击波的产生与传播过程，对工程实践具有重要的指导意义。关键词：水中放电；金属丝电爆炸；冲击波；人工黏性系数；等离子体中图分类号：TM89 文献标志码：A 文章编号：0253-987X(2015)04-00000-00

水下爆炸冲击波和气泡联合作用下结构响应数值分析

水下爆炸冲击波和气泡联合作用下结构响应数值分析徐永刚;宗智;李海涛【摘要】Underwater explosion may result in serious damages to the floating structure. The purpose of this paper is mainly to study effects of response characteristics of structures subjected to underwater explosion and provides a reference for anti -shock design of warship. The accuracy and efficiency of ABAQUS software in simulating the elastic-plastic response of structure subjected to underwater explosion were verified. The dynamic responses in terms of strain and stress of the structure under underwater explosion loading in different cases were calculated and analyzed using ABAQUS software. The calculated results show that the pressure of bubble pulse is the major factor of ship whipping and overall damage.%结构在水下爆炸作用下会产生严重的破坏，研究水下爆炸作用下结构的响应特征和规律，并为舰船抗冲击设计提供参考。

首先验证了ABAQUS软件模拟结构受水下爆炸载荷作用弹塑性响应的有效性和准确性。

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应用国际上通用的有限元程序ＭＳＤＹＡＮ模拟在重力影响下水中爆炸冲击波及气泡脉动的Ｃ．ＴＲ全物理过程，将计算结果与实验结果进行对比分析，并二者具有较好的一致性，验证了有限元模型
正确、有效，结果准确。以此为基础，分析和总结了网格密度、圆柱形炸药长径比、爆炸距离、爆炸角
ＬＩｉｎ一，ＲＯＮＧｉ．ａＪｊ．．１ｉ，ＹＡＮＧｎ — ｅ，ＺＲｏｇｊＨＡＮＧｏｉＴａ
（．ｃｏｌｆｃｎｅｅｉｎｔｕｅｆｃｎｌｙＢｉｎ００１Ｃｉａ１Ｓｈｏｏｉｃ，ＢｉｎＩｓｔｔｏｈｏｇ，ｅｉｇ１０８，ｈｎ；ＳｅｊｇｉＴｅｏｊ
（．１北京理工大学理学院，北京１０８；２广西工学院汽车工程系。广西柳州５５０；００１．４０６３北京理工大学材料科学与工程学院，北京１０８）．００１
摘要：以实验方法研究球形ＴＮＴ炸药及柱形含铝炸药水中爆炸冲击波传播及气泡脉动规律。
ｓｏｋｗａｅａｄｔｅｍｏｉｎｏｕｂｅｈｃｖｎｈｔｆｂｂｌ．Ｔｈｆｅｔｏｒｄｄｎｉ，ｌｎｔ — ｉｍｅｅａｉｆｃｌｄｉａｏｅｅｆｃｆｇｉｅｓｔｙｅｇｈｄａｔｒｒｔｏｙｉｒｌｏｎｃ
针对目前近场水中爆炸数值计算中存在的不能同时考虑冲击波传播及气泡运动的问题本文采用实验与数值计算相结合的方法对近场水域中冲击波传播及气泡脉动进行研究首先在同一水域相同位置处分别对质量相同的球形tnt及柱形含铝炸药的冲击波超压和气泡脉动压力进行测量然后采用mscdytran有限元软件对实验工况进行模拟数值计算结果与实验结果符合较好
ｓｏｔａｈｔｕｔｒ — ｌｄｃｕｐｉｔｏｃｎｂｅｕｅｐｅｉｅｙｔｓｍｕｌｔｔｅｐｏａａｉｎｏｈｗｈｔｔｅｓｒｃｕｅｆｕｉｏｌｎｇｍｅｈｄａｓｄｒｃｓｌｏｉａｅｈｒｐｇｔｏｆ
ｅｅｎｎｌｓｏｔｒ．Ｔｈｏｕａｉｎｌｅｕｔｒｏｐｒｄｗｉｘｅｉｎａｅｕｔ，ｗｈｃｌｍｅｔａａｙｉｓｆｗａｅｓｅｃｍｐｔｔａｓｌｓｗｅｅｃｍａｅｔｅｐｒｍｅｔｌｓｌｏｒｈｒｓｉｈ
３ＳｈｌｆｔｒｌｉｃｎｃｎｌｙＢｉｇＩｓｉｔｆｅｈｏｏｙｅｉｇ１０８。Ｃｉａ．ｏｅｉｅｅｄＴｅｈｏｇ。ｅｉｎｔｕｅｏｃｎｌ。Ｂｉｎ００１ｈｎ）ｃｏＭａａＳｎａｃｏｊｎｔＴｇｊＡｓｒｃ：Ｅｘｅｉｎａｎｅｔａｉｎｒａｒｄｏｔｏｈｈｃｖｒｐｇｔｎａｄｂｂｌｉｂｔｔａｐｒｍｅｔｌｉｖｓｉｔｓｗｅｅｃｒｉｕｎｔｅｓｏｋｗａｅｐｏａａｉｎｕｂｅｍ— ｇｏｅｏ
度对冲击波峰值的影响。有限元模型、法及计算结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值。方
关键词：流体力学；中爆炸；冲击波；气泡脉动；数值模拟水中图分类号：３０８文献标志码：Ａ文章编号：００１９（０８１—４７０１０ —０３２０）２１３—７
ＥｘｒｍｅｎｍｅｉａｍｕａｉｎｏｈｏｋＷａｅＰｒｐｇｔｏｎｐｅｉｎｔａｄＮｕｒｃｌＳｉｌｔｏｆＳｃｖｏａａｉｎａｄＢｕｂｌｍｐｌｅｏｂｅＩｕｓｆＵｎｄｒｔｒＥｘｌｓｏｅｗａｅｐｏｉｎ
第２卷第１９２期
２００８ｌ年２月
兵

工
学
报
Ｖｏ．９１２ＮＯ１．２
Ｄｅ２０ｃ．０８
ＡＣＴＡＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ
水中爆炸冲击波传播与气泡脉动的实验及数值模拟
李健一，荣吉利，杨荣杰。，张涛
ｐｌｅｏｄｒｔｒｅｌｓｏｆｔｐｒｃｌｕｓｆｕｎｅｗａｅｘｐｏｉｎｏｈｅｓｈｅｉａＴＮＴｎｄｃｉｒｃｌａｕｉｚｄｅｐｌｓｖｓａｙｌｎｄｉａｌｍｎｉｅｘｏｉｅ．ＴｈｅｐｓｃｌｈｙｉａｐｏｅｓｏｎｒｔｒｅｌｓｏｄｒｇａｉｙｗａｉｌｔｄａｎｌｚｄｕｉｇＭＳＣ．ｒｃｓｆｕｄｅｗａｅｘｐｏｉｎｕｎｅｒｖｔｓｓｍｕａｅｎｄａａｙｅｓｎＤＹＴＲＡＮｉｉｅｆｎｔ
２．ｐｒｍｅｔｆｔｍｏｉｎｉｅｒｎ，ＧｕｎｘｉｅｓｔｆＴｅｈｏｏｙＤｅａｔｎｏＡｕｏｂｌＥｇｎｅｉｇｅａｇｉＵｎｖｒｉｏｃｎｌｇ，Ｌｉｚｏ４０６ｙｕｈｕ５５０，Ｇｕｎｘ，ｈｎ；ａｇｉＣｉａ
ｅｌｓｖ，ｐｒｐｇｔｏｉｔｎｅａｄｅｌｓｏｎｅｏｈａｒｓｕｒｆｓｏｋｗａｅｗａｎａｙｅｘｐｏｉｅｏａａｉｎｄｓａｃｎｘｐｏｉｎａｇｌｎｔｅｐｅｋｐｅｓｅｏｈｃｖｓａｌｚｄａｕｎｄｓｍｍａｉｅｒｚｄ．Ｔｈｉｔｌｍｅｔｍｏｅ，ｍｅｈｄａｄｃｍｐａｉｎｌｒｓｌｓｉｈｔｄｒｆａｅｆｎｉｅｅｅｎｄｌｔｏｎｏｕｔｔｏａｅｕｔｎｔｅｓｕｙａｅｏｃｒａｎｒｆｒｎｃａｕｏｒｌｔｖｎｇｎｅｉｇｒｓａｃｎａｃｌｔｏｅｔｉｅｅｅｅｖｌｅｔｅａｉｅｅｉｅｒｎｅｅｒｈａｄｃｌｕａｉｎ．Ｋｅｙｗｏｒｓ：ｆｕｄｍｅｈｎｃｄｌｉｃａｉｓ；ｕｎｅｗａｅｘｐｏｉｎ；ｓｃｖｄｒｔｒｅｌｓｏｈｏｋｗａｅ；ｂｕｂｅｉｐｌｅｂｌｍｕｓ；ｎｕｒｃｌｓｍｕｌ— ｍｅｉａｉａ