
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (9): 240956-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0956
俞万里1,2, 杨澳1, 汤兆烈1,*(
), 程晗1, 张之阳1, 刘葳兴1,2
收稿日期:2024-10-15
上线日期:2025-09-24
通讯作者:
基金资助:
YU Wanli1,2, YANG Ao1, TANG Zhaolie1,*(
), CHENG Han1, ZHANG Zhiyang1, LIU Weixing1,2
Received:2024-10-15
Online:2025-09-24
摘要:
研究舰艇附近水下爆炸问题对船体结构设计、爆炸冲击损害预测及人员安全保障至关重要。为此,提出改进扩散界面法中的六方程可压多相流模型以解决冲击波条件下热力学状态预测偏差,并为相关抗冲击机理研究与数值方法优化提供支撑。通过引入混合能量校正方程及更精确的气体状态方程改进模型,在非结构网格系统构建数值算法程序,采用基于最小二乘重建和 Barth-Jespersen 限制器的二阶守恒定律的单调上游中心方案(Monotonic Upstream-centered Scheme for Conservation Laws,MUSCL)-Hancock 格式、两相流带接触的Harten-Lax-van Leer(Harten-Lax-van Leer Contact,HLLC) 黎曼求解器求解齐次双曲型方程,以 Newton-Raphson 迭代法求解瞬时压力松弛方程。研究结果表明:混合能量方程校正后,模型模拟流体冲击波速度和界面的结果与欧拉方程精确解高度吻合,解决界面附近数值振荡问题;相较于实验数据,改进型模型相对误差 1.13%,准确度提升 0.33%,且通过拟合冲击 Hugoniot 曲线获得更精确的刚性气体状态方程(Stiffened Gas Equation of State,SG-EOS)参数,同时可清晰呈现水下爆炸的冲击波传播、气泡胀缩及坍塌水射流现象,但在气泡界面清晰度、射流精细度上存在缺陷,主要受数值格式极端梯度下耗散特性限制。综上,改进型六方程可压多相流模型有效提升了舰艇附近水下爆炸模拟准确性,为深入研究舰艇抗冲击机理提供重要支撑,也为后续相关数值方法的优化奠定了坚实基础。
中图分类号:
俞万里, 杨澳, 汤兆烈, 程晗, 张之阳, 刘葳兴. 基于可压缩多相流模型的舰艇附近水下爆炸数值模拟[J]. 兵工学报, 2025, 46(9): 240956-.
YU Wanli, YANG Ao, TANG Zhaolie, CHENG Han, ZHANG Zhiyang, LIU Weixing. Numerical Simulation of Underwater Explosions Near a Naval Vessel Based on a Compressible Multi-fluid Model[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(9): 240956-.
| 案例 | 方法 | γ | p∞/MPa |
|---|---|---|---|
| 1 | Liou等[ | 2.80 | 600.00 |
| 2 | Saurel等[ | 4.40 | 850.00 |
| 3 | 本文方法 | 5.45 | 40.45 |
表1 不同研究使用的液态水SG-EOS参数
Table 1 Different SG-EOS parameters for liquid water
| 案例 | 方法 | γ | p∞/MPa |
|---|---|---|---|
| 1 | Liou等[ | 2.80 | 600.00 |
| 2 | Saurel等[ | 4.40 | 850.00 |
| 3 | 本文方法 | 5.45 | 40.45 |
| 位置 | α1 | ρ1/ (kg·m-3) | ρ2/ (kg·m-3) | u/ (m·s-1) | p1/ MPa | p2/ MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 左边 | 10-6 | 1 | 1000 | 0 | 103 | 103 |
| 右边 | 1-10-6 | 1 | 1000 | 0 | 0.1 | 0.1 |
表2 一维水气两相激波管问题左右初始条件
Table 2 Initial conditions on the left and right sides of 1D water-air shock tube problem
| 位置 | α1 | ρ1/ (kg·m-3) | ρ2/ (kg·m-3) | u/ (m·s-1) | p1/ MPa | p2/ MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 左边 | 10-6 | 1 | 1000 | 0 | 103 | 103 |
| 右边 | 1-10-6 | 1 | 1000 | 0 | 0.1 | 0.1 |
图3 t=0.24ms时刻一维水气两相激波管问题混合密度、速度和液相体积分数分布
Fig.3 Distribution diagram of mixture density,normal velocity,and water volume fraction of a 1D water-air shock tube problem at t=0.24ms
| 位置 | α1 | ρ1/ (kg·m-3) | ρ2/ (kg·m-3) | u/ (m·s-1) | p1/ MPa | p2/ MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 左边 | 10-8 | 10 | 103 | 100 | 105 | 105 |
| 右边 | 1-10-8 | 10 | 103 | 100 | 105 | 105 |
表3 两相界面在均匀场移动问题左右初始条件
Table 3 Initial conditions on the left and right sides of advection of an interface in a uniform pressure and velocity flow problem
| 位置 | α1 | ρ1/ (kg·m-3) | ρ2/ (kg·m-3) | u/ (m·s-1) | p1/ MPa | p2/ MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 左边 | 10-8 | 10 | 103 | 100 | 105 | 105 |
| 右边 | 1-10-8 | 10 | 103 | 100 | 105 | 105 |
图4 t=2.79ms时刻两相界面在均匀场移动问题混合密度、速度和气相体积分数分布
Fig.4 Distribution diagram of mixture density,normal velocity,and air volume fraction of an interface in a uniform pressure and velocity flow problem at t=2.79ms
| 介质 | α1 | ρ1/ (kg·m-3) | ρ2/ (kg·m-3) | u/ (m·s-1) | pm/ MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 液态水 | 10-6 | 1000 | 103 | 0 | 0.1 |
| 空气 | 1-10-6 | 1.225 | 103 | 0 | 0.1 |
| 爆炸气泡 | 1-10-6 | 1250 | 103 | 0 | 103 |
表4 近水面水下爆炸问题的水、空气和爆炸气泡的初始条件
Table 4 Initial conditions of the water,air,and explosive gas bubble for underwater explosions
| 介质 | α1 | ρ1/ (kg·m-3) | ρ2/ (kg·m-3) | u/ (m·s-1) | pm/ MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 液态水 | 10-6 | 1000 | 103 | 0 | 0.1 |
| 空气 | 1-10-6 | 1.225 | 103 | 0 | 0.1 |
| 爆炸气泡 | 1-10-6 | 1250 | 103 | 0 | 103 |
图5 沿爆炸中心下方距离刚性底面0cm和5.0cm的两个测量目标处冲击波压力时程曲线
Fig.5 Shockwave pressure histories of two gauge targets with standoff distances of 0 and 5.0cm along the explosive center adjacent to the rigid surface
图6 近水面水下爆炸问题的不同时刻流场气相体积分数分布
Fig.6 Distribution diagram of gas phase volume fraction in the flow field at different times for underwater explosion near the water surface
图11 爆炸第1阶段不同时刻舰艇附近水下爆炸流场压力分布
Fig.11 Pressure distribution diagram of flow field near the ship at different times in the first stage of underwater explosion
图13 沿爆炸中心直线距离2.0m和2.5m的两个测量目标处冲击波压力时程曲线
Fig.13 Time-history curve of shock wave pressure at two measurement targets located 2.0m and 2.5m in a straight line from the center of the explosion
图14 爆炸第2阶段不同时刻舰艇附近水下爆炸流场气相体积分数分布图
Fig.14 Gas phase volume fraction distribution diagram of flow field near the ship at different times in the second stage of underwater explosion
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doi: 10.1016/j.dt.2021.05.011 |
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