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原文传递水下近场爆炸船舶破损舱室的涌流效应研究

论文题名：	水下近场爆炸船舶破损舱室的涌流效应研究
关键词：	军用舰船;船体破损;流固耦合;流体力学
摘要：	舰船在水下近场及接触爆炸的作用下会产生局部大破口，舰船一旦破损发生进水后，会使舰船的浮性和稳性变差，直接威胁舰船的生命力。近场水下爆炸对舰船结构造成毁伤的同时会诱导船体产生总体的刚性运动，船体的剧烈运动会改变舱室内部流场特性，此时破损的船体会与复杂的海洋环境载荷、舱室内部自由液面以及内外空气流形成复杂的流固耦合效应。研究船舶遭遇水下爆炸破损后时域动力响应特性对评估船舶剩余生命力、海上救援指挥和决策制定具有重大的意义，同时也对船舶舱室优化布置和船舶的抗沉性设计等具有借鉴意义。本研究主要内容包括：　　⑴综述了近场水下爆炸载荷及其对结构的毁伤特性、舰船破舱进水过程和SPH方法在破舱进水方面的应用进展，通过调研发现，近年来国内外研究学者对上述系列问题取得了很大进展，对近场水下爆炸载荷有了更为清晰的认识，初步掌握了船舶破舱进水过程的动响应特性，无网格 SPH方法在逐步的改进后已开始应用到破舱进水问题的研究中。但是，目前关于近场水下爆炸船体毁伤后的破舱进水问题研究仍比较罕见。在此类问题中，近场水下爆炸涉及波在多层介质间传播、结构大变形和撕裂等过程，爆炸会引起船体的刚性运动速度、进水在舱内涌流会在壁面产生砰击、翻卷和破碎，破口内外会产生对流、多相介质掺杂等，这些过程给传统的解决方法带来了很大的困难和挑战。本文首先基于欧拉-拉格朗日耦合方法对近场水下爆炸冲击波载荷的波动特性和毁伤特性进行研究，总结近场爆炸引起结构毁伤的典型特征作为后续破舱进水过程的初始输入条件；然后利用改进的无网格 SPH粒子方法，研究船体多自由度运动、波浪、液体晃荡等多种非线性影响因素下船体破舱进水动力载荷和时域动响应特性。　　⑵基于弱可压缩的SPH方法建立适合求解流固耦合问题的数值模型，对 SPH方法的计算精度、稳定性和界面的核心处理技术进行了系统的研究。通过选取高精度核函数来减小由核近似带来的计算误差，同时对核函数进行连续性修正满足近似函数完备性，解决由弱可压缩假设引入的流场压力噪声问题；采用 dummy粒子耦合边界处理流固耦合问题中的固定边界和运动边界，最终建立了精度较高的、稳定性好且能处理剧烈流体-结构耦合问题的SPH数值模型，并验证了此模型的有效性。基于耦合的欧拉-拉格朗日算法研究了水下爆炸冲击波载荷在多层介质中的波动效应，总结了结构厚度和背爆面介质对冲击波传播过程中反射、透射效应的影响；进一步地，利用声固耦合方法，研究了近场水下爆炸冲击载荷对舰船结构的毁伤特性，总结了船体结构毁伤特征，作为后续破舱进水问题研究的输入条件。　　⑶利用完全SPH流固耦合方法，结合切片法原理提出解决舱室破损进水问题的数值计算模型。首先研究了不同破口位置对舱室破损进水过程的影响，总结了破损舱室内部涌流的流场分布特性；而后计入近场水下爆炸引起的船体刚性运动，建立了瞬态流固耦合 SPH计算模型，得到舱室爆炸诱导速度随装药量变化规律，并分析了水下爆炸诱导初始速度对破损舱室动响应过程的影响。考虑波浪中破损船体动响应特性问题，建立了波浪载荷预报模型，利用理论结果和已有实验结果对本文波浪载荷预报结果和浮体运动预报的准确性和稳定性进行了验证；而后对比研究了不同频率和波高的波浪载荷中，完整舱室模型和破损舱室模型的动响应过程，分析了破口内外流体对流过程中流场的变化及其对破损舱室运动特性的影响，总结了破损舷侧位于迎浪方向和背浪方向时，舱室内部涌流对舱室内部壁面的砰击特性及舱室进水过程的影响。考虑破损舱室模型内部存在与外界不连通的自由晃荡液面情况，首先对舱室内部流体与舱室耦合晃荡响应过程进行研究，总结横摇幅值与激励频率对壁面的砰击载荷规律，而后研究了液舱装载率和舱室内部阻碍对破损舱室进水时域过程的影响，解释了传统对舱室内部自由液面假设模型无法对液面较浅时舱室运动进行较准确的预测。考虑空气对水密舱室进水过程的影响建立了SPH两相流数值计算模型，与经典溃坝模型的壁面冲击压力进行对比，考虑空气的两相流模型对壁面压力预测与实验值更加吻合，利用SPH两相流数值模型对考虑空气时大破口舱室破损涌流过程进行初步探索。　　⑷考虑破损涌流载荷、波浪载荷以及舱室内部自由液面联合作用对具有爆炸毁伤特征的舱室模型破损进水过程动响应的影响，利用基于切片法原理的完全SPH流固耦合方法，分析了多种非线性载荷联合作用下破损船体进水过程的船舶运动规律和舱室内部液面对内部壁面的砰击特性。建立了三维完全SPH流固耦合数值模型，通过实验研究简单破损舱室模型中部舷侧和底部破口的涌流效应，对舷侧破损工况进行数值仿真并与实验结果进行对比，验证本文中三维完全 SPH算法的有效性和准确性。在此基础上，对不同部位破口的船体空间运动规律进行研究，最后模拟了船体结构在靠近尾部破口时舱室入水过程，得到了破损舰船结构入水过程的时域响应特征，为具有复杂舱室结构的实际舰船近场爆炸毁伤后沉没过程研究提供参考。
作者：	曹雪雁
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	张阿漫
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文