复杂边界条件近场水下爆炸气泡运动特性实验研究

发布时间：2020-08-25 14:58

【摘要】：舰船近场水下爆炸中,气泡载荷是造成舰船毁伤的主要因素之一。气泡的运动形式往往受到边界条件的显著影响,不同的边界条件下气泡将呈现不同的脉动特性,进而导致不同的气泡载荷。为了分析复杂边界条件下水下爆炸气泡的脉动和载荷特性,本文采用实验的方法对多种边界条件下近场水下气泡进行研究,通过高速摄影以及对流场、结构表面压力和结构应变响应的测量,系统考察了复杂边界条件下近场气泡的脉动和载荷特性。真实水下爆炸气泡和实验室尺度下的气泡做不到完全相似,因此本文主要从机理层面针对水下爆炸气泡开展实验研究。本文实验中气泡生成方法包括低电压水下放电和小当量水下爆炸两种,通过调整实验气压来改变浮力的大小。根据浮力对气泡脉动特性影响的显著程度,分别进行微浮力气泡脉动和显著浮力气泡脉动实验,结合不同边界进行研究。实验中的边界条件主要包括自由场、简单边界(自由面、刚性壁面)、组合边界、舭部曲面刚性边界、带有破口的非完整刚性边界、弹塑性板架结构边界以及同步多气泡之间互为边界条件。由于浮力在不同工况中始终存在,因此首先对不同浮力作用下气泡脉动特性的变化进行了研究。采用减压装置降低水面气压,获得不同的浮力参数;记录并分析气泡半径、边界位移、周期、射流速度和形成时间等参数随浮力参数的变化。在此基础上,研究了单边界近场气泡在浮力和边界条件共同作用下的脉动和载荷特性,主要考虑了浮力与Bjerknes效应处于同向、反向和垂直三种状态,并分析了不同脉动特性对气泡载荷的影响。此外还通过实验结果给出了自由面和壁面两种边界条件下浮力与Bjerknes效应反向时气泡坍塌和射流方向发生改变所需满足的临界条件。同时也对单边界微浮力气泡脉动进行了实验研究,发现了二重射流和气环等特殊气泡运动特征。此外还对自由面不同类型的水冢现象进行了研究。在此基础上,对复杂边界近场气泡脉动特性进行研究。首先研究了舭部弯曲边界气泡脉动,根据气泡与边界的距离给出了三种典型气泡脉动形式,分析了各自载荷情况。对于带有破口的非完整舭部边界,考察了破口尺寸和气泡到破口中心距离两个主要参数对气泡脉动特性的影响,发现了背离壁面的射流等特殊气泡运动特征。根据气泡形态将气泡脉动分为五类,并分析了载荷特性。将破口平面边界近场气泡脉动特性与脉动压力载荷等与完整边界情况进行对比,总结了带有破口的非完整边界对气泡脉动和载荷特性的影响。在组合边界气泡实验中,考察了竖直壁面与自由面、水平壁面与自由面以及两平行壁面三种工况下的近场气泡脉动特性和载荷特性。对于处于自由面和壁面间的气泡,研究了其形态、周期以及自由面水冢运动形式与气泡到两个边界的无量纲距离之间的关系;考察了两平行壁面间小当量水下爆炸气泡的环状射流、撕裂等行为特征以及相应的载荷特性。实验中采用双层底局部板架结构作为弹塑性边界,通过高速摄影给出了气泡在弹塑性边界不同位置处近场脉动特性;通过压力传感器研究了气泡对弹塑性边界不同位置的载荷特性;通过应变片测量弹塑性板架应变,对比了弹塑性板架在不同工况下同一位置、同一工况下不同位置的应变响应,测点位置包括板架结构板格中心、边缘和角隅;结果表明板架结构由于气泡载荷产生的应变响应在一定条件下与冲击波作用下相当甚至更高。在多个气泡的相互作用中,一个气泡周围的其他气泡可以视为一种特殊的边界条件。本文对等间距同步脉动的2-4个气泡进行了实验研究,包括微浮力的水下放电气泡和显著浮力的水下爆炸气泡,总结了气泡发生融合和独立脉动两种情况下的气泡脉动特性,给出了三气泡相互作用中中央气泡撕裂以及气泡融合后的相对射流等特殊现象。此外,还将同步气泡脉动特性与气泡在刚性边界附近的脉动特性进行了对比,并分析了多气泡脉动中的载荷特性,为多发武器水下爆炸对舰船的毁伤提供参考。除实验研究外,本文利用轴对称以及三维边界元方法对实验中的部分工况进行了模拟,数值结果与实验结果吻合良好。通过数值模拟给出了实验中难以直接观测的射流等脉动特性,进一步完善了对复杂边界条件下气泡脉动和载荷特性的分析。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.70
【图文】：

第２章复杂边界近场水下气泡运动实验方法逡逑直径的铜质电极搭接生成的气泡半径约为１２ｍｍ左右，气泡尺度具有较好的可重复性。逡逑２）以图２．１中第１帧中所示光斑的出现为气泡生成时刻，以气泡坍塌首次达到体积极小逡逑值（图２．１第１０帧）为第一周期结束，则气泡脉动的第一周期在５ｍｓ左右。３）气泡运动形逡逑式受到浮力影响较小。浮力参数约为０．０１，在气泡生成后数个脉动周期内，浮力对气泡逡逑形态以及运动没有明显影响。４）气泡以电极搭接点为中心呈球状膨胀。因此称该点为气逡逑泡初始中心。逡逑Ｃ逡逑0邋0邋0邋ａ邋？逡逑图２．１常压下自由场中低电压水下放电气泡脉动（２００Ｖ直流电源放电）逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｂｕｂｂｌｅ邋ｇｅｎｅｒａｔｅｄ邋ｂｙ邋ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ邋ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅ邋ｕｎｄｅｒ邋ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋（２００Ｖ邋ＤＣ）逡逑上述低压水下放电方法属于出现较晚的气泡生成方法之一，但在近年来得到了广泛逡逑应用。与其它气泡生成方法相比，该方法主要优点包括：１）成本低廉，实施方便，实验逡逑周期短，可以大量重复，利于研宄不同工况。２）气泡初始位置可通过电极交叉点精确控逡逑制，适于控制边界条件。３）气泡表面透明或半透明，便于观察内部的射流等行为。４）气逡逑泡具有可重复性，即保持放电电压和电极搭接方式不变，大多数气泡的尺寸基本一致，逡逑为对比不同边界条件下的气泡运动提供了基础。逡逑上述低压水下放电生成气泡的方法的缺点则包括：１）气泡没有明确的初始状态。气逡逑泡由电极燃烧产生

压水下放电气泡生成方法相同，即利用电流热效应使电极燃烧、水介质气化从而生成膨逡逑胀的气泡。逡逑图２．２低气压条件下自由场中水下放电气泡脉动逡逑Ｆｉｇ邋２．２邋Ｂｕｂｂｌｅ邋ｇｅｎｅｒａｔｅｄ邋ｕｎｄｅｒ邋ｒｅｄｕｃｅｄ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｗｉｔｈ邋ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ邋ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅ逡逑，逦ｉ逦ｉ逦｛逦１逦ｉ逦１逦ｉ逦１逡逑６０邋－逦－逦６０逡逑？第－竭期最大半径逡逑－■逦＼逦４第二周期最大半径逦－逡逑Ｅ逦＼逦。第三周朗最大半径逡逑＾邋４０邋－邋＼邋＼逦－逦４０逡逑势逦＇逦＼逡逑NB逦＼逦＼逡逑＿邋．邋Ｖ、逦、、逦？逡逑＃邋２０邋－邋＼邋＼、、邋、？？一？？逦－２０逡逑怒逦＼逦…－■逦逡逑？邋一邋￣￣逦逦．逦逦逦逦逦邋＇逡逑逦逦逦＊逡逑０．０逦０．１逦０．２逦０．３逦０．４逦０．５逡逑大气邋Ｅ（ａｔａ：0逡逑图２．３气泡最大半径随气压变化（３００ｍｍ水深，２００Ｖ电压）逡逑Ｆｉｇ邋２．３邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍａｘｉｍｕｍ邋ｂｕｂｂｌｅ邋ｒａｄｉｕｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ａｉｒ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ａｂｏｖｅ邋ｗａｔｅｒ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑减压水下放电气泡的形式如图２．２所示。气泡具有以下特性：１）气泡最大半径随压逡逑１４逡逑

逡逑图２．５大气压下低压放电气泡实验装置示意图逡逑Ｆｉｇ邋２．５邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｓｅｔ－ｕｐ邋ｆｏｒ邋ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ邋ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅ邋ｕｎｄｅｒ邋ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑为了在陆上进行高速摄影，所有放电气泡和爆炸气泡均在水箱中生成。在大气压下逡逑进行的常压低电压水下放电气泡实验水箱及观测设备如图２．５所示。正方体玻璃水箱边逡逑长０．５ｍ，气泡在水箱中心生成。水箱面向观测设备一侧采用光滑全透明玻璃材质，背面逡逑采用磨砂玻璃材质

本文编号：2803839