基于特征线差分法的水下爆炸近场非等熵流研究

发布时间：2020-07-30 20:19

【摘要】：水下爆炸现象广泛应用于民用建设与军事工业,是水下爆破与拆除、水下爆炸焊接、水中兵器毁伤、水面舰艇抗爆设计的基础问题。随着计算机技术的飞速发展,用大量数值模拟配合少量关键实验,渐渐成为水下爆炸研究的重要手段。针对水下爆炸中的特定问题、特定目标,基于某种算法或多算法耦合的自编程序可以提供具有特色的研究视角。特征线差分法具有物理意义明确、数值精度高、计算效率高和可回溯计算的优点,但水下爆炸流场是典型的非等熵流场,以往特征线差分法的局限性较大。在上述背景下,本文以改进以往的特征线差分法为目的,从以下三个方面展开了研究工作:首先,为了改进特征线差分法,本文在理论和算法两个层面分别进行研究。在理论层面,针对以往特征线方程求解非等熵流问题的困难,通过对非等熵可压缩流的物理过程分析,提出了声波不一定等熵的概念,据此定义了“真声速”和“拟声速”;然后采用标准方法导出了二维定常非等熵流的真特征线方程,进一步推演出了一系列“拟特征线差分法”;通过基于等熵声速的拟特征线方程,明确了熵变对特征线的贡献,体现了非等熵流的物理实质。在算法层面,针对以往算法难以同时保证稳定性与严格依赖域的弊端,本文构造了能使两者兼备的推进求解策略;并在此基础上引入自适应网格技术,避免了同族特征线交叉的问题;另推导出Mie-Gruneisen状态方程等熵线的显式解,使得声速和特征线可以准确且快速地计算。基于以上特征线理论及其算法的研究,最终获得了适用于求解非等熵流场的改进的特征线差分法。其次,基于上述特征线差分法的研究,本文开发了球对称以及轴对称非等熵流的高效特征线差分程序。通过模拟球形与柱形、理想与非理想炸药的水下爆炸近场流动,再与实验数据和商业软件Autodyn结果的对比,验证了上述算法的准确性和时间经济性。将获得的特征网应用于分析水下爆炸流场,划定了可以影响决定近场冲击波的爆轰产物膨胀区间;基于含铝炸药非理想爆轰的改进Miller模型,通过特征网实现了对铝粉后燃效应所造成的水中流场增压效果的追踪,进而明确了铝粉后燃对冲击波能量输出的影响范围,体现了特征线差分法的优势。最后,基于特征线算法可回溯计算的特点,本文完善了以水下爆炸试验反演标定爆轰产物状态方程的方法。针对球形装药和柱形装药两种模型,本文提出了一种“逆特征线法反演”结合“遗传算法优化”的反演标定方案:所需的原始实验数据是获取难度不大的近场冲击波轨迹曲线和中场某测点的压力时程曲线。其中,逆特征线差分法用于水中流场的反演计算,遗传算法用于爆轰产物状态方程参数的优化计算。从最终的标定效果看,这种联合了冲击波数据与测点时程压力数据的方案,可以明显地拓宽对爆轰产物膨胀信息的获取范围,以及被标定JWL状态方程的适用范围。多种炸药算例的结果显示:在产物压力降至0.01 GPa之前的范围与原方程的误差在3%以下,优于测压下限约0.1 GPa的标准圆筒试验,即该方案也适用于测定爆轰产物低压区的膨胀规律。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TJ6;U674.70;O38
【图文】：

水下爆炸,基本过程

而不需要引入人工粘性以及随之而来的人为误差。它还具有物理意义明确、数值精度高、逡逑计算效率高和可回溯计算反问题的优点，这些优点在含有少数几个冲击波的定常流场中逡逑更加明显，因此它特别适合水下爆炸这类冲击波结构简单、强度高、衰减快的冲击问题。逡逑然而，水下爆炸流场是典型的非等熵流场，以往特征线差分法在熵变的处理上存在很多逡逑问题，总体上不适于求解非等熵流场。逡逑在这种背景下，本文将沿着水下爆炸的数值研究方向，致力于改进以往的特征线差逡逑分法，使其适用于解决水下爆炸中的非等熵流问题，并开发相应的计算程序，通过实例逡逑验证其可行性与有效性。逡逑１．２水下爆炸的研究现状逡逑１．２．１水下爆炸的基本过程与主要现象逡逑水下爆炸是炸药爆轰产物与周围水介质相互作用的一个复杂动态过程，其基本过程逡逑可以划分成三个阶段．？炸药爆轰、冲击波的形成与传播、气泡的脉动与上浮。如图１．１逡逑所示，以球形炸药为例：逡逑

近场流,水下爆炸,炸药,柱形

逡逑（２０１０）［１４Ｓ］。若将参考系取在爆轰面上，可以建立如图２．２所示的定常模型，其中爆轰产逡逑物以及水中的流动都是二维定常可压缩无粘流动。逡逑药柱、逦夬Ｓ镜、￡．芒逡逑爆轰波’邋＇＞■；逡逑图２．１柱形炸药水下爆炸的典型过程逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ邋ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ逡逑冲击波逦－逡逑爆轰波逦一逡逑＼逦逦逦逦逦逡逑未反应炸药逦逦爆轰产物■邋＿邋＿邋？逡逑—ＦｒｒＦＴＴ＾：：：—一逡逑水气界面逦：逡逑图２．２柱形炸药水下爆炸的近场流动模型逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ邋ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ逡逑在以上定常模型中，炸药粒子的（相对）初始速度等于炸药爆速，而当炸药粒子通逡逑过爆轰面时成为爆轰产物粒子，其压力、温度、速度等物理参数也发生突跃变化，爆轰逡逑面上的马赫数为１邋（由ＣＪ条件决定），各项参数（包括熵值）均相同，之后沿流线等逡逑－１７－逡逑

热力学过程,等熵线,切线

这意味着其过程线的切线（正比于ｄｐ邋／邋ｄｐ邋）与过该点的等熵线的切线（正比于（办／办＾邋）逡逑存在不可忽略的差异，即当流场存在熵变时，两者在数值上不能近似相等。逡逑最后，具体说明如下。如图２．３所示，在非等熵流所对应的热力学ｐ－ｖ平面上，其逡逑中虚线代表等熵线族，实线代表某个质点经历的真实物理过程（图中为熵增过程）。逡逑＼邋＼＼邋＼＼邋等熵线族逦Ｄ逡逑、＼＼邋＼逦＼逡逑＼真实声速逦ｓ逡逑Ｉ逦＼逦真实卸载线逡逑著逦逦逡逑、、＼、、、、、、逡逑、＇、、、、：？逡逑Ｖｏｌｕｍｅ逡逑图２．３非等熵流在平面上的热力学过程逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ａ邋ｎｏｎ－ｉｓｅｎｔｒｏｐｉｃ邋ｆｌｏｗ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｐ－ｖ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑－２３－逡逑

【参考文献】