氣泡脈動的案例
LS-DYNA | 水下爆炸氣泡脈動過程 ￥135
問題描述
炸藥水下爆炸后爆轟產物會以氣泡的形式存在，內外壓差導致氣泡的膨脹與回縮坍塌，此過程稱為氣泡脈動。由于重力的作用，使得靜水壓力沿水深呈梯度分布，因此氣泡在脈動的過程中，還會伴隨著氣泡形狀的變化以及上浮等問題。受流體內壓力不均的影響，最終會氣泡射流，破壞氣泡完整性而潰滅。
對氣泡射流的研究是水下爆炸重要的研究課題。在數值計算中可通過設置靜水壓力沿水深梯度變化的方法來模擬靜水壓環境，在LS-DYNA中可采用*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE關鍵字完成靜水壓力的設置。
圖 水下氣泡脈動及壓力釋放過程
----------張思遠，王志強等《水下針-板放電氣泡脈動及沖擊特性》
計算模型
采用二維ALE算法建立軸對稱數值計算模型。計算模型寬為10m，高為10m，其中上部分為空氣（3m），下部分為水（7m），通過體積填充的方式在水下5m處填充球形TNT藥包（半徑為2cm）。采用*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE關鍵字施加由重力引起的靜水壓力梯度。
圖 計算模型
計算結果
通過計算最終得到了球形TNT藥包在水下5m處起爆后，前1.5個周期內氣泡脈動以及氣泡形狀的演變過程，如下圖所示。
圖 氣泡形狀變化
小結與思考
（1）氣泡脈動過程的模擬具有較高的網格尺寸敏感性，
（2）采用二維軸對稱模型能夠降低網格數量，且能實現很好的計算結果；
（2）另外*ALE_AMBIENT_HYDROSTATIC也能實現靜水壓力梯度設置。
模型K文件、建模視頻及講解文檔見付費內容，謝謝支持！
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圖5 水下爆炸對艦艇的結構沖擊
2、 氣泡脈動的模擬
有研究表明，爆炸沖擊波過后，爆炸產物形成的氣泡含有47％的能量，在周圍水介質的作用下膨脹和壓縮，產生滯后流和脈動壓力，對艦船縱向總體產生屈曲破壞和大變形，并引起低頻安裝設備的破壞。ANSYS AUTODYN的高階Euler求解器能精確地模擬氣泡的膨脹、壓縮和潰滅以及氣泡收縮形成的射流。
圖6 氣泡脈動時歷云圖
圖7 距爆心30cm測量點的壓力時歷曲線
ANSYS AUTODYN高精度的Euler求解器、豐富的材料模式、完全的Euler-Lagrange耦合算法、結果映射Remap技術、部件激活技術以及完善的并行求解技術等，極大地提高了水下爆炸數值模擬的精度和效率，從而贏得了眾多軍工用戶的好評。
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有研究表明，爆炸沖擊波過后，爆炸產物形成的氣泡含有47％的能量，在周圍水介質的作用下膨脹和壓縮，產生滯后流和脈動壓力，對艦船縱向總體產生屈曲破壞和大變形，并引起低頻安裝設備的破壞。ANSYS AUTODYN的高階Euler求解器能精確地模擬氣泡的膨脹、壓縮和潰滅以及氣泡收縮形成的射流。
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圖5 水下爆炸對艦艇的結構沖擊
2、 氣泡脈動的模擬
有研究表明，爆炸沖擊波過后，爆炸產物形成的氣泡含有47％的能量，在周圍水介質的作用下膨脹和壓縮，產生滯后流和脈動壓力，對艦船縱向總體產生屈曲破壞和大變形，并引起低頻安裝設備的破壞。ANSYS AUTODYN的高階Euler求解器能精確地模擬氣泡的膨脹、壓縮和潰滅以及氣泡收縮形成的射流。
圖6 氣泡脈動時歷云圖
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LS—DYNA 氣泡脈動，二維
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LS-Dyna 水下爆炸之流固耦合應用 ￥8
01艦船水下爆炸項目背景：
魚雷作為一種典型水中兵器,可從水面艦艇、潛艇、飛機等平臺發射,通過水下爆炸產生的沖擊波、氣泡脈動、氣泡射流、金屬射流等單一或耦合載荷毀傷敵水中作戰平臺,在歷次海戰中都發揮了舉足輕重的作用。水面艦船在執行任務中，難免會遭受水下各種武器的襲擊，近場水下爆炸產生的沖擊波，氣泡脈動等載荷將會導致艦船局部結構或整體結構受損。局部結構受損又多集中于舷側、舭部和底部，受損典型結構為板架結構。所以對于局部結構遭受載荷后響應過程的分析有重要意義。在水下爆炸數值模擬環境正確的基礎上，利用已有載荷環境，建立某艦船的三艙段模型，研究不同工況下艙段在近場水下爆炸沖擊波載荷下的艦船動響應過程，根據艦船結構的抗沖擊評判標準，分析近場水下爆炸沖擊波載荷作用下的結構變形，重要部位特征點的速度和加速度響應情況，以及結構吸能特性，探究近場水下爆炸沖擊波載荷對艦船結構造成的損傷和其自身的抗沖擊能力。
02艦船水下爆炸數值計算仿真模型：
本文選取某艦船中部三艙段位置進行有限元建模，單個艙段長為９ｍ，寬為16.7ｍ，型深為12.8ｍ，吃水為８.８ｍ。綜合考慮結構網格與流體網格的大小關系，以及整體模型計算效率，本文艙段結構網格采用0.2ｍｘ0.2ｍ的面單元模擬，艙段網格總數量為３０萬,部分艙段模型如下圖所示。艦船材料采用高強度鋼，屈服應力為5.9e8Ｎ／ｍ２，密度為７８００ｋｇ／３，彈性模量為2.1e11Ｎ／ｍ２，泊松比０.３。
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水下爆炸二維模擬
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水下爆炸大致可以分為四個主要過程：</p><ol><li>炸藥的爆轟，</li><li>沖擊波的形成和傳播，</li><li>氣泡的脈動和上浮，</li><li>以及沖擊波在與自由水面和結構的相互作用下產生的空化，由此對結構造成的二次加載。</li></ol><p>簡而言之，水下爆炸主要是通過直接接觸的爆轟，以及后續產生的三種主要非接觸的爆炸載荷沖擊波、氣泡和空化對周圍物體造成的毀傷。</p><p><br></p><p>水下爆炸往往會引起非常嚴重的后果，因此，對比試驗，數值仿真是非常安全高效的研究方法。</p><p><br></p><p>Abaqus中提供了兩種計算水下爆炸問題的方法：“散波”法和“總波”法。“總波”法爆炸點須位于水域模型的外部，且它可以考慮到空化效應的影響，所以總波法比較適合模擬中遠場爆炸。在近場爆炸中，由于爆炸時間短，氣泡脈動和空化產生的加載可以忽略，主要是考察沖擊波造成的結構毀傷效應，所以可以采用“散波”法進行模擬。</p><p><br></p><p> </p><p><strong>有限元模型建立</strong></p><p>本文使用SolidWorks創建一艘簡易的交通艇3D模型，并且創建半徑近似船半寬6倍的水域模型，以此模型分別采用“散波”法和“總波”法模擬炸藥在不同爆距下，交通艇毀傷情況。前處理采用HyperWorks對模型進行網格劃分，后續再導入Abaqus進行設置和計算。
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