基于AUTODYN的气泡与固定壁面相互作用数值模拟-张伟岳永威张阿漫孙龙泉(23)

2
2.1
近固壁面的水下爆炸气泡射流
概 述
2.1.3
种， 多项式 （Polynomial） 状态方程和冲击 （shock） 状态方程。由于需要考虑静水压力， 因此， 本文选 用多项式状态方程进行计算：
p = A1u + A 2 u 2 + A 3 u3 + ( B 0 + B1u) ρ 0 e ， u > 0 (压缩状态) p = T1u + T 2 u + B 0 ρ 0 e ρ -1， 在爆炸之前气泡处于无压缩状 ρ0 u < 0 (拉伸状态) （3）
AUTODYN 的 材 料 库 中 ， 水的状态方程有 2
水的状态方程
气泡与壁面的相互作用一直是研究人员关注 的问题。处于固壁面附近的气泡在受到壁面 Bjerknes 力［8］的同时还受重力的作用， 为此， 设置 方， 如图 2 所示。
Void TNT WATEP STEEL 4340
不同的无量纲距离参数［9］ （爆心距壁面的距离与 气泡最大半径的比值） ， 将炸药置于刚固平板的下
Material Location
P /MPa
Fig.1
图 1 流场中测点的压力数值模拟曲线 Bubble pressure of flow field numerical simulation curve of three measuring points
t / ms
时， 气泡收缩至最小体积， 流场中辐射气泡二次压 力波。由图可见， 气泡二次压力波的峰值和持续 时间模拟值与实验值吻合良好， 平均误差在 10% 以内， 但压力峰值发生的时间略有提前。究其原 因， 可能是数值上虽然采用了边界处理， 但有限的
1 中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064
壁面水下爆炸气泡的动力学特征以及影响因素， 包括无量纲距离对气泡形状的影响， 固壁面对气泡最大半径、 脉动周期和射流时间的影响， 以及近固壁面气泡射流速度及压力的变化等， 总结相关规律， 为气泡的数值模拟 研究提供参考。
中图分类号： U661.4
关键字： 水下爆炸； 气泡； AUTODYN ； 脉动； 射流； 固壁面
2 College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China Abstract：This paper introduces the principle and procedures of using AUTODYN to numerically simulate gas bubbles produced by underwater explosions. By comparing the experimental data to the simulated re⁃ lating pulsation time，pressure，and other parameters are validated. Then，the dynamics characteristic of bubble shapes，maximum radius，pulsation period and impact time. The variation in velocity and pressure of the bubble jet is also discussed. Key words： underwater explosion； bubble； AUTODYN ； pulse； jet； solid boundary underwater explosion gas bubbles near a solid boundary is analyzed，including various factors that affect
图 1 给 出 了 80～ 83 ms 时 间 段 的 压 力 值 ， 此
第6期
张
伟等： 基于 AUTODYN 的气泡与固定壁面相互作用数值模拟
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想气体的状态方程模拟炸药的行为：p = ρ(γ - 1)e ， 其中 γ = ω + 1 。
冲击波压力峰值 测点位置 实验值 计算值 误差 /% /MPa /MPa 0.5 m 1m 65.82 30.09 62.95 24.80 -17.58 -4.36 气泡压力峰值 实验值 计算值 误差 /% /MPa /MPa 8.85 4.43 8.75 4.35 -1.13 -1.80
力峰值、 气泡最大半径及脉动周期的计算值与实
张 伟1 岳永威 2 张阿漫 2 孙龙泉 2
2 哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001
摘 据与 AUTODYN 计算结果的对比， 验证其在计算气泡脉动时间和压力等方面的计算精度， 并以此为基础研究近 要： 阐述了 AUTODYN 软件模拟水下爆炸气泡的原理及过程， 通过球对称模型以及重力场中气泡的实验数
脉动周期
第7卷
第 1 次脉动 第 2 次脉动
实验值 计算值 实验值 计算值 误差 /% 误差 /% /mm /mm /ms /ms 391 295 349 283 -10.74 -4.07 17.85 13.00 15.59 13.65 -12.66 5.00
从表中可以看出， 数值模拟的气泡脉动最大 半径和脉动周期与实验值间的误差约为 10% ， 误 模拟水下爆炸气泡的脉动。 下面将以重力场为例进行对比分析。在模拟 重力场中水下爆炸气泡的运动时， 采 用 AUTO⁃ DYN 软件中独有的映射技术， 将一维球对称计算 结果映射至二维轴对称求解器， 从而解决了网格 尺寸过小、 计算时间过长的问题。设置长、 宽、 高 分别为 18 m ， 18 m 和 7 m 的流场， 以 35 g 药量在流 场中的运动规律。在流场中预设 A ， B， C 等 3 个测 点以便测量气泡在运动过程中的流场压力， 它们 场中心下 3.5 m 处引爆， 观察该工况下气泡在重力 分别位于爆心水平方向 0.7 m 处； 爆心下方水平方 垂向 1.095 m 处。图 1 所示为测定 A ， B， C 的数值 模拟压力时历曲线， 通过与文献 ［7］ 中的相似工况 TODYN 在模拟气泡在重力场中运动的精确性。
［3］
向 0.7 m、 垂向 0.71 m 处； 爆心上方水平方向 0.7 m、
1
有效性验证
为 了 验 证 AUTODYN 软 件 的 有 效 性 ， 使用球
及测点压力曲线进行对比， 发现曲线的时间发展 趋势以及压力峰值基本吻合， 进一步验证了 AU⁃
对 称 计 算 模 块 分 析 0.229 kg 的 TNT 在 178.6 m 水 深处爆炸时的相关数据， 并将计算值与文献 ［7］ 中
的实验值进行了对比。在深水爆炸过程中， 静水 压力梯度可以忽略不计， 取气泡周围的静水压力 一定， 水的计算域取为 50 m 。表 1 和表 2 所示为流 场 中 距 药 包 中 心 0.5 m 和 1 m 处 冲 击 波 和 气 泡 压 验值的对比。
表1 Tab.1 冲击波及气泡压力峰值的 AUTODYN 计算值与实验值对比 Comparison between experimental data and the calculated results about shock and bubble pressure peak
24
中
国
舰
船
研
究
其忽略了边界对气泡形状的影响， 较适于远场气 泡脉动分析。在试验研究方面， 关于水下爆炸气 泡对结构的毁伤作用试验研究多采用规则结构或 缩比模型， 鲜有实船试验。 近年来， 由水下爆炸引起的气泡动力学问题 成为海军舰船生命力技术领域关注的重点。然 而， 水下爆炸气泡从形成、 膨胀到最终溃灭是一个 复杂的物理演化过程， 尤其是气泡在运动过程中 与周围结构的作用受许多因素的影响， 研究难度 较大。目前， 我国学者主要是以高速摄像的方法 对电火花生成的气泡进行观测， 进而对气泡的运 动规律进行研究
sults concerning the spherically symmetric model and its gravity field， the accuracy of AUTODYN in calcu⁃
0
引
言
爆炸时， 气泡受舰船结构边界的影响， 形成冲击射 流， 造成舰艇结构局部损伤。第 3 种情况属气泡 近壁面运动规律问题， 进行理论研究的依据主要 是以势流理论建立的水平及垂直刚性面附近在浮 力作用下运动的气泡理论模型。该模型基本能反 映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律， 但
第7卷 第6期 2012 年 12 月 第 6期
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal of Ship Research
doi： 10 . 3969 / j . issn . 1673－ 3185 . 2012 . 06 . 004
Vol.7 No.6 Dec. 2012
基于 AUTODYN 的气泡与固定壁面相互作用 数值模拟
爆炸气泡脉动激发船体梁总体振动， 造成整体失
水下爆炸气泡引起的结构破坏可分为 3 种：
稳甚至断裂失效； 远场爆炸时， 气泡脉动引起舰船 上较敏感设备的共振， 造成设备破坏； 当炸药近场
收稿日期： 2012－ 03－ 01
基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （51009035， 50939002） ； 国家自然科学基金委员会—中国工程物理研究院联合 作者简介： 张 基金项目 （10976008） ； 第十二届霍英东教育基金项目 （121073） ； 新世纪优秀人才支持计划 （NCET-0054） 岳永威 （1987－）， 男， 硕士研究生。研究方向： 舰船总体与系统工程。 E⁃mail： yuesk.1012@163. com 通信作者： 岳永威。 张阿漫 （1981－）， 男， 教授。研究方向： 水下爆炸， 气泡动力学。 伟 （1979－）， 男， 硕士， 工程师。研究方向： 船舶结构设计制造。 E⁃mail： zhangwei701@126. com