水下爆炸气泡与弹性边界相互作用的数值模拟研究

本项目拟申请"NSAF基金"指南中"明确目标课题"－3水下爆炸气泡与弹性边界相互作用的数值模拟研究。近年来，海上实船爆炸和水池模型实验研究表明，水下爆炸气泡是造成舰船结构严重损伤的主要诱因，其机理为气泡与自由液面、舰船结构等弹性边界的相互耦合作用问题。然而，关于复杂弹性边界附近气泡的动态特性仍存在许多现象和本质未被揭示。为此，本项目拟从气泡运动的基本现象入手，研究气泡与弹性边界相互作用，探究气泡与复杂弹性界面耦合动力学机理及其对结构的毁伤模式。主要研究内容包括：1）建立气泡与弹性边界耦合三维动力学数值模型；2）研究弹性边界、自由液面边界条件对气泡坍塌、射流形成等重要动力学行为的影响以及气泡动载荷对弹塑性结构的毁伤作用，并与已有实验结果进行对比验证；3）研究气泡对典型大型舰船结构、潜艇结构的毁伤作用；4）计算时认为水不可压缩，炸药爆轰瞬间完成，暂不考虑爆轰产物反应时间、温度等参数的影响。

水下爆炸现象非常复杂，包括冲击波、爆轰物形成的气泡、气泡脉动诱发的滞后流、气泡坍塌产生的脉动压力及高速射流等。冲击波具有高频特征，对舰船结构产生严重局部破坏，而气泡运动引起的滞后流以及脉动压力呈现低频特征，对舰船造成总体破坏。如果气泡脉动频率与舰船的固有频率接近时，会引起船体结构“鞭状运动”，加剧对舰船的破坏作用，危及舰船的总纵强度，将船体拦腰折断。近年来，海上实船爆炸和水池实验均表明，气泡载荷是造成舰船结构严重损伤的主要诱因。目前，气泡与自由面、水中结构等相互作用已成为国际上的研究热点和难点，国内外相关研究机构均在研究水下爆炸气泡动力学特性，他们在做了大量的实验和数值模拟研究后，认为气泡与自由液面、结构等的相互作用仍存在许多现象和本质尚需深入研究。为此，该NSAF基金项目重点研究了水下爆炸气泡与复杂边界的相互作用，以及气泡载荷对舰船结构的毁伤特性，完成的主要研究内容如下：.1）建立了气泡与弹性边界耦合的三维动力学数值模型，并开发了相应的计算方法，并采用理论和实验值验证了数值模型的有效性。.2）研究了弹性边界、自由液面对气泡坍塌、射流形成等重要动力学行为的影响以及气泡载荷对弹塑性结构的毁伤作用。.3）研究了气泡对典型大型舰船结构及潜艇结构的毁伤作用。.在NSAF基金的资助下，形成了水下中气泡无声放电实验装置；形成了水下爆炸气泡与弹性边界相互作用计算方法；开发了水下爆炸气泡与弹性边界相互作用计算软件，解决了中国工程物理研究院与哈尔滨工程大学双方关注的弹性边界附近水下爆炸气泡的动态特性、气泡对水中结构的毁伤特征等基础性力学问题，完成项目任务书中要求的全部内容，达到了预期目标。.在NSAF基金的资助下，项目负责人获得了国家优秀青年科学基金；获得了教育部新世纪优秀人才支持计划；获得了“龙江学者”特聘教授。中国工程物理研究院的参研青年中1人获得了青年科学基金资助，1人获得了哈尔滨工程大学与中国工程物理研究院联合培养的博士学位，1人获得了中国工程物理研究院的优秀论文奖。.在NSAF基金的资助下，发表学术论文34篇(其中哈尔滨工程大学与中国工程物理研究院联合发表10篇)，其中SCI检索9篇，EI检索24篇，在国防工业出版社出版书籍2部。