水下近自由面爆炸过程中的多相流运动特性研究_余俊.pdf

水下近自由面爆炸过程中的多相流运动特性研究余俊1，2，王海坤1，2，刘国振1，郝轶1，张得扬1（1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2.深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡 214082）摘要：水下近自由面爆炸现象涉及到爆轰气体产物、水以及空气等多种流体之间的相互作用过程，同时还伴随有明显的汽液两相之间的相变转换。为了理解和掌握近水面爆炸过程中的多流体非线性耦合特性，引入基于相变转换的多相可压缩流体计算模型进行分析。采用一维激波管问题对计算模型的精确性和收敛性进行测试验证，在此基础上利用二维轴对称模型模拟近水面爆炸过程，获得冲击波传播、空化产生与溃灭、爆炸气泡运动等过程。爆炸气泡运动的计算结果与试验结果具有一致性。对于由水下爆炸引起的近自由面空化现象，数值模拟清晰展示了空化域的产生、发展及其溃灭的完整过程。空化域由开始的单连通域演化为涡环形态，并向外扩展直至完全溃灭。将蒸汽体积分数0.5作为空化域的识别判据时，计算获得的空化域的演化过程与试验结果较为一致。数值模拟结果还进一步揭示了空化域内部的一些重要的物理特性，本文的研究结果能够为水面舰艇结构的抗爆抗冲击防护研究提供技术支撑。关键词：水下爆炸；爆炸气泡；空泡；可压缩流体；相变转换；空泡溃灭中图分类号：O359 O383文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2023.02.001Motion characteristics of multiphase flow inunderwater explosion near free surfaceYU Jun1,2,WANG Hai-kun1,2,LIU Guo-zhen1,HAO Yi1,ZHANG De-yang1(1.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2.Taihu Laboratory ofDeep-sea Technological Science,Wuxi 214082,China)Abstract:Underwater explosion(UNDEX)near free surface involves the interaction between detonation gasproducts,water,air and other fluids,and also contains obvious phase transition.This interaction is a typicalmultiphase compressible fluid movement problem with phase effect,which is very nonlinear and difficult tostudy.In order to understand and master the nonlinear interaction characteristics of multi-component in underwater explosion near free surface,a compressible multi-phase fluid model based on phase transition wasintroduced.The control system equations of the model were solved by a simple fractional step approach,which was divided into hyperbolic step and relaxation step.A MUSCL-Hancock method with HLLC approximate Riemann solver was applied to discretize the homogenous hyperbolic equations in hyperbolic step,andthe nonlinear system was solved by Newton-Raphson iterative method in the following relaxation step.Theaccuracy and convergence of the numerical model were tested and verified by using the 1D shock tube example.On this basis,underwater explosion near free surface was simulated by using the 2D axisymmetric model,and the process of shock wave propagation,cavitation generation and collapse,and explosion bubble motion第27卷第2期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号：1007-7294（2023）02-0163-10收稿日期：2022-08-21作者简介：余俊（1984-），男，硕士，高级工程师，通讯作者，E-mail:；王海坤（1980-），男，博士，研究员；刘国振（1976-），男，硕士，高级工程师；郝轶（1983-），男，硕士，高级工程师；张得扬（1983-）男，硕士。were clearly captured.For the explosion bubble movement,the numerical results of bubble interface are ingood agreement with the experimental results.For the cavitation near free surface caused by underwater explosion,numerical simulation clearly shows the generation,development and collapse of the cavitation.Thecavitation domain evolves from the initial single connected domain to the vortex ring form and expands outward until it completely collapses.When the vapor volume fraction is greater than 0.0005(the identificationcriterion of cavitation domain),the numerical results of cavitation evolvement are consistent with the experimental results.The numerical results further reveal some important physical properties in the cavitation domain,which can provide some technical support for the research of anti-explosion and anti-impact protection of surface warship structures.Key words:underwater explosion;explosion bubble;cavitation;compressible fluid;phase transition model;cavitation collapse0 引言随着现代海战武器的高速发展，实战条件下舰船遭受的威胁越来越大，对舰船水下冲击与防护性能的研究受到了高度的重视。水面舰艇除了会遭受船底爆炸冲击损伤之外，近水面爆炸也会产生重要的威胁1。近水面爆炸现象的本质特征属于多相流体（气-液-汽）相互作用及其与结构的耦合运动过程，其非线性耦合效应主要体现在两个重要方面：首先是爆轰气体产物、水、空气等多组分流体之间的对流运动,其可归纳为多相可压缩流体界面捕捉问题；其次是自由面的存在使得流场中会出现稀疏波的传播，水中会出现典型空化现象,可以归结为相变问题。要想准确理解和掌握近水面爆炸过程中的多流体非线性耦合效应，需要同时重点处理好多相可压缩流体界面捕捉和相变问题。目前国内外已经对近水面爆炸现象进行了大量的研究2-4。在实验研究方面，Marcus等5开展了水下近自由面爆炸试验研究，发现水下爆炸产生的片空化区域在闭合溃灭时会产生较大的压力，获得了近水面爆炸过程中包括空化效应的冲击波和气泡阶段的压力曲线;Brett等6开展了一系列水下圆柱壳近距离爆炸试验，对冲击波和空化联合加载下圆柱壳的变形进行了测量分析，发现空化载荷的幅值与冲击波幅值相当，而且空化溃灭载荷造成的壳体变形要超过整个冲击波阶段产生的总变形；Kleine等7利用纹影法拍摄到了近水面爆炸试验过程中液体空化的密度变化过程图象，较为清晰地展示了爆炸气泡膨胀以及空化域内部演化图像；Cui等8开展了一系列不同边界条件下近水面小药量药包爆炸试验，获得了爆炸气泡与自由面运动的完整过程。由于实验研究获得的数据有限，在稳定性和重复性上难以满足要求，难以获得流场的精细特征。数值模拟能够较为全面地展示流场的精细特征，使得其在近水面爆炸研究中具有一定的优势。这里着重介绍基于多相可压缩流体计算模拟的研究情况，对于基于声学单元和边界单元的数值方法不作讨论。自从Aanhold等9提出cut-off空化模型之后，由于其使用简单方便，被广泛应用在水下近自由面或近结构爆炸分析中。Wardlaw等10利用cut-off模型分析了充水圆筒中心药包爆炸过程中冲击波在圆筒内部产生的局部空化现象，获得了空化溃灭载荷的典型特征；Shukla11、Yu12等采用cut-off空化模型与五方程相结合的方法对带有空化效应的近水面爆炸多流体运动问题进行了研究；Wu等13采用cut-off模型与流体局部间断迦流金（LDG）法相结合分析了水下远场冲击波与自由面作用产生空化的过程。为了克服cut-off模型无法描述空化域内液相和汽相组分的问题，Liu14、Schmidt15和Xie16等相继提出了isentropic模型、Schmidt模型和Modified Schmidt模型。这些模型本质上都属于单流体空化模型，在流体压力降低到饱和态压力之前均视为纯流体，当降到饱和态压力之后，各种模型的具体差别体现在空化域内汽液混合流体状态方程的构造方法不同。除了上述单流体空化模型之外，双流体模型也在不断发展，主要以Chiapolino17-18、Saurel19、Pelanti20-21等提出的四方程、六方程等模型为主，该模型通过持续追踪空化质量分数的演化来捕捉空化的产生、164船舶力学第27卷第2期发展与溃灭过程。双流体模型则将初始流体视为液相和汽相的某种混合，在流场发生改变时（如冲击波传播和气泡运动等包含间断时）液-汽两相之间会发生对流运动，同时还伴随有质量和热量交换的相变过程，空化被视为流体区域内部蒸汽含量不断累积的过程。因此双流体模型描述的空化演化过程更符合物理本质和思维逻辑，但双流体模型相比单流体模型，双流体计算过程非常复杂繁琐，导致目前水下爆炸领域内绝大部分的空化研究都采用单流体模型。本文拟采用Chiapolino等18提出的基于多相可压缩流体四方程的双流体空化模型来重点研究近水面爆炸过程中的多相流运动。首先对计算模型的控制方程及其数值方法进行了简要介绍，然后采用一维激波管问题对计算模型中的相变转换以及激波捕捉功能进行了考