【摘要】：艦船近場水下爆炸中,氣泡載荷是造成艦船毀傷的主要因素之一。氣泡的運(yùn)動形式往往受到邊界條件的顯著影響,不同的邊界條件下氣泡將呈現(xiàn)不同的脈動特性,進(jìn)而導(dǎo)致不同的氣泡載荷。為了分析復(fù)雜邊界條件下水下爆炸氣泡的脈動和載荷特性,本文采用實(shí)驗(yàn)的方法對多種邊界條件下近場水下氣泡進(jìn)行研究,通過高速攝影以及對流場、結(jié)構(gòu)表面壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)的測量,系統(tǒng)考察了復(fù)雜邊界條件下近場氣泡的脈動和載荷特性。真實(shí)水下爆炸氣泡和實(shí)驗(yàn)室尺度下的氣泡做不到完全相似,因此本文主要從機(jī)理層面針對水下爆炸氣泡開展實(shí)驗(yàn)研究。本文實(shí)驗(yàn)中氣泡生成方法包括低電壓水下放電和小當(dāng)量水下爆炸兩種,通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)氣壓來改變浮力的大小。根據(jù)浮力對氣泡脈動特性影響的顯著程度,分別進(jìn)行微浮力氣泡脈動和顯著浮力氣泡脈動實(shí)驗(yàn),結(jié)合不同邊界進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)中的邊界條件主要包括自由場、簡單邊界(自由面、剛性壁面)、組合邊界、舭部曲面剛性邊界、帶有破口的非完整剛性邊界、彈塑性板架結(jié)構(gòu)邊界以及同步多氣泡之間互為邊界條件。由于浮力在不同工況中始終存在,因此首先對不同浮力作用下氣泡脈動特性的變化進(jìn)行了研究。采用減壓裝置降低水面氣壓,獲得不同的浮力參數(shù);記錄并分析氣泡半徑、邊界位移、周期、射流速度和形成時(shí)間等參數(shù)隨浮力參數(shù)的變化。在此基礎(chǔ)上,研究了單邊界近場氣泡在浮力和邊界條件共同作用下的脈動和載荷特性,主要考慮了浮力與Bjerknes效應(yīng)處于同向、反向和垂直三種狀態(tài),并分析了不同脈動特性對氣泡載荷的影響。此外還通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了自由面和壁面兩種邊界條件下浮力與Bjerknes效應(yīng)反向時(shí)氣泡坍塌和射流方向發(fā)生改變所需滿足的臨界條件。同時(shí)也對單邊界微浮力氣泡脈動進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)了二重射流和氣環(huán)等特殊氣泡運(yùn)動特征。此外還對自由面不同類型的水�，F(xiàn)象進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上,對復(fù)雜邊界近場氣泡脈動特性進(jìn)行研究。首先研究了舭部彎曲邊界氣泡脈動,根據(jù)氣泡與邊界的距離給出了三種典型氣泡脈動形式,分析了各自載荷情況。對于帶有破口的非完整舭部邊界,考察了破口尺寸和氣泡到破口中心距離兩個(gè)主要參數(shù)對氣泡脈動特性的影響,發(fā)現(xiàn)了背離壁面的射流等特殊氣泡運(yùn)動特征。根據(jù)氣泡形態(tài)將氣泡脈動分為五類,并分析了載荷特性。將破口平面邊界近場氣泡脈動特性與脈動壓力載荷等與完整邊界情況進(jìn)行對比,總結(jié)了帶有破口的非完整邊界對氣泡脈動和載荷特性的影響。在組合邊界氣泡實(shí)驗(yàn)中,考察了豎直壁面與自由面、水平壁面與自由面以及兩平行壁面三種工況下的近場氣泡脈動特性和載荷特性。對于處于自由面和壁面間的氣泡,研究了其形態(tài)、周期以及自由面水冢運(yùn)動形式與氣泡到兩個(gè)邊界的無量綱距離之間的關(guān)系;考察了兩平行壁面間小當(dāng)量水下爆炸氣泡的環(huán)狀射流、撕裂等行為特征以及相應(yīng)的載荷特性。實(shí)驗(yàn)中采用雙層底局部板架結(jié)構(gòu)作為彈塑性邊界,通過高速攝影給出了氣泡在彈塑性邊界不同位置處近場脈動特性;通過壓力傳感器研究了氣泡對彈塑性邊界不同位置的載荷特性;通過應(yīng)變片測量彈塑性板架應(yīng)變,對比了彈塑性板架在不同工況下同一位置、同一工況下不同位置的應(yīng)變響應(yīng),測點(diǎn)位置包括板架結(jié)構(gòu)板格中心、邊緣和角隅;結(jié)果表明板架結(jié)構(gòu)由于氣泡載荷產(chǎn)生的應(yīng)變響應(yīng)在一定條件下與沖擊波作用下相當(dāng)甚至更高。在多個(gè)氣泡的相互作用中,一個(gè)氣泡周圍的其他氣泡可以視為一種特殊的邊界條件。本文對等間距同步脈動的2-4個(gè)氣泡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,包括微浮力的水下放電氣泡和顯著浮力的水下爆炸氣泡,總結(jié)了氣泡發(fā)生融合和獨(dú)立脈動兩種情況下的氣泡脈動特性,給出了三氣泡相互作用中中央氣泡撕裂以及氣泡融合后的相對射流等特殊現(xiàn)象。此外,還將同步氣泡脈動特性與氣泡在剛性邊界附近的脈動特性進(jìn)行了對比,并分析了多氣泡脈動中的載荷特性,為多發(fā)武器水下爆炸對艦船的毀傷提供參考。除實(shí)驗(yàn)研究外,本文利用軸對稱以及三維邊界元方法對實(shí)驗(yàn)中的部分工況進(jìn)行了模擬,數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。通過數(shù)值模擬給出了實(shí)驗(yàn)中難以直接觀測的射流等脈動特性,進(jìn)一步完善了對復(fù)雜邊界條件下氣泡脈動和載荷特性的分析。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U674.70
【圖文】：

第２章復(fù)雜邊界近場水下氣泡運(yùn)動實(shí)驗(yàn)方法逡逑直徑的銅質(zhì)電極搭接生成的氣泡半徑約為１２ｍｍ左右，氣泡尺度具有較好的可重復(fù)性。逡逑２）以圖２．１中第１幀中所示光斑的出現(xiàn)為氣泡生成時(shí)刻，以氣泡坍塌首次達(dá)到體積極小逡逑值（圖２．１第１０幀）為第一周期結(jié)束，則氣泡脈動的第一周期在５ｍｓ左右。３）氣泡運(yùn)動形逡逑式受到浮力影響較小。浮力參數(shù)約為０．０１，在氣泡生成后數(shù)個(gè)脈動周期內(nèi)，浮力對氣泡逡逑形態(tài)以及運(yùn)動沒有明顯影響。４）氣泡以電極搭接點(diǎn)為中心呈球狀膨脹。因此稱該點(diǎn)為氣逡逑泡初始中心。逡逑Ｃ逡逑0邋0邋0邋ａ邋？逡逑圖２．１常壓下自由場中低電壓水下放電氣泡脈動（２００Ｖ直流電源放電）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）逡逑上述低壓水下放電方法屬于出現(xiàn)較晚的氣泡生成方法之一，但在近年來得到了廣泛逡逑應(yīng)用。與其它氣泡生成方法相比，該方法主要優(yōu)點(diǎn)包括：１）成本低廉，實(shí)施方便，實(shí)驗(yàn)逡逑周期短，可以大量重復(fù)，利于研宄不同工況。２）氣泡初始位置可通過電極交叉點(diǎn)精確控逡逑制，適于控制邊界條件。３）氣泡表面透明或半透明，便于觀察內(nèi)部的射流等行為。４）氣逡逑泡具有可重復(fù)性，即保持放電電壓和電極搭接方式不變，大多數(shù)氣泡的尺寸基本一致，逡逑為對比不同邊界條件下的氣泡運(yùn)動提供了基礎(chǔ)。逡逑上述低壓水下放電生成氣泡的方法的缺點(diǎn)則包括：１）氣泡沒有明確的初始狀態(tài)。氣逡逑泡由電極燃燒產(chǎn)生

壓水下放電氣泡生成方法相同，即利用電流熱效應(yīng)使電極燃燒、水介質(zhì)氣化從而生成膨逡逑脹的氣泡。逡逑圖２．２低氣壓條件下自由場中水下放電氣泡脈動逡逑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，邐ｉ邐ｉ邐｛邐１邐ｉ邐１邐ｉ邐１逡逑６０邋－邐－邐６０逡逑？第－竭期最大半徑逡逑－■邐＼邐４第二周期最大半徑邐－逡逑Ｅ邐＼邐。第三周朗最大半徑逡逑＾邋４０邋－邋＼邋＼邐－邐４０逡逑勢邐＇邐＼逡逑NB邐＼邐＼逡逑＿邋．邋Ｖ、邐、、邐？逡逑＃邋２０邋－邋＼邋＼、、邋、？？一？？邐－２０逡逑怒邐＼邐…－■邐逡逑？邋一邋￣￣邐邐．邐邐邐邐邐邋＇逡逑邐邐邐＊逡逑０．０邐０．１邐０．２邐０．３邐０．４邐０．５逡逑大氣邋Ｅ（ａｔａ：0逡逑圖２．３氣泡最大半徑隨氣壓變化（３００ｍｍ水深，２００Ｖ電壓）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逡逑減壓水下放電氣泡的形式如圖２．２所示。氣泡具有以下特性：１）氣泡最大半徑隨壓逡逑１４逡逑

逡逑圖２．５大氣壓下低壓放電氣泡實(shí)驗(yàn)裝置示意圖逡逑Ｆｉｇ邋２．５邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｓｅｔ－ｕｐ邋ｆｏｒ邋ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ邋ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅ邋ｕｎｄｅｒ邋ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑為了在陸上進(jìn)行高速攝影，所有放電氣泡和爆炸氣泡均在水箱中生成。在大氣壓下逡逑進(jìn)行的常壓低電壓水下放電氣泡實(shí)驗(yàn)水箱及觀測設(shè)備如圖２．５所示。正方體玻璃水箱邊逡逑長０．５ｍ，氣泡在水箱中心生成。水箱面向觀測設(shè)備一側(cè)采用光滑全透明玻璃材質(zhì)，背面逡逑采用磨砂玻璃材質(zhì)

本文編號：2803839