氣泡脈動(dòng)在網(wǎng)格過渡界面的反射模擬研究

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　吳俁倩

氣泡脈動(dòng)在網(wǎng)格過渡界面的反射模擬研究

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院吳俁倩

在Autodyn中運(yùn)用Euler法對(duì)網(wǎng)格過渡界面的氣泡脈動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，在相同的邊界條件下，分別對(duì)網(wǎng)格過渡兩側(cè)的網(wǎng)格比例和起爆點(diǎn)離網(wǎng)格過渡界面的距離做調(diào)整，發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)格過渡界面存在嚴(yán)重的反射現(xiàn)象，說明Euler法在計(jì)算中存在缺陷，不適合水下爆炸問題的處理。

氣泡脈動(dòng)；起爆點(diǎn)；過渡界面；反射界面；數(shù)值模擬

引言

水下爆炸［1］的研究通常采用理論研究，試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬越來越被廣泛地應(yīng)用，在水下爆炸分析中，數(shù)值模擬被用來處理在數(shù)學(xué)分析法無法求解或者難以控制的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。目前在眾多數(shù)值模擬軟件中比較常用的有 LS-DYNA、ABAQUS、AUTODYN、DYTRAN、NAS

TRAN、ADINA、DYNA、ASKA等。其中Autodyn軟件擁有拉格朗日、歐拉任意拉格朗日歐拉和光滑粒子流體動(dòng)力等多個(gè)求解器。其中歐拉算法適合于描述液體和氣體的行為，自由邊界面和材料的交界面可以通過固定的歐拉網(wǎng)格來表達(dá)，大變形或者有流動(dòng)的情形并不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格畸變［2］。

1水下爆炸模型建立及分析

1.1水下爆炸模型

本文的模擬采用了AUTODYN的二維模擬方法，使用歐拉算法進(jìn)行計(jì)算，采用二維計(jì)算方法相對(duì)于三維來說，可以大幅度縮小計(jì)算規(guī)模，可以劃分為較為細(xì)密的網(wǎng)格，計(jì)算精度大為提高。在計(jì)算過程中，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響計(jì)算的精度及計(jì)算能否順利運(yùn)行，網(wǎng)格的過渡方式會(huì)影響計(jì)算結(jié)果物理量的時(shí)間歷程的發(fā)展規(guī)律，因此在建模過程中采用了均勻網(wǎng)格劃分［3］。在本文中我們采用的界面過渡方式如圖1所示。

圖1　界面過渡方式

實(shí)驗(yàn)中采用的單位為mm，mg，ms。第一種模型為一邊長(zhǎng)為3600mm的正方形水域；第二種情況為我們假定一有限水域有兩部分組成（如圖2）。下面部分長(zhǎng)為3600mm，寬為600mm（簡(jiǎn)稱部分1），上面部分長(zhǎng)為3600mm，寬為3000mm（簡(jiǎn)稱部分2）。兩部分之間進(jìn)行joins操作，實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了過渡界面處網(wǎng)格比例密度分別為1：1，1：2，2：3的情況（前者是部分1，后者是部分2），部分2選用的網(wǎng)格尺寸均為6，部分1網(wǎng)格尺寸分別為6、9、12。炸藥為半球形裝藥，半徑為50mm，位于底部中心即（1800，0）處。圖2為水下爆炸計(jì)算模型。

圖2　水下爆炸模型

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

我們對(duì)圓心位于原點(diǎn)的半球形裝藥且裝藥尺寸為50mm的TNT進(jìn)行水下爆炸的數(shù)值模擬，觀察其界面處的反射現(xiàn)象。圖 3、圖 4為 0.539ms時(shí)邊長(zhǎng)為3600mm的完整正方形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和過渡界面處網(wǎng)格比例為1：1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（網(wǎng)格尺寸劃分都為6的模型）。

圖3　不存在過渡界面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4　存在過渡界面網(wǎng)格比例為1：1時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，在氣泡脈動(dòng)到達(dá)過渡界面時(shí)，反射現(xiàn)象出現(xiàn)并逐漸清晰，由上面兩張圖對(duì)比可以看出后者存在明顯的反射跡象。

通過調(diào)整網(wǎng)格過渡界面兩側(cè)的網(wǎng)格比例，仍然存在反射現(xiàn)象。

綜上所述，在用歐拉網(wǎng)格處理問題的過程中，join后仍存在界面問題。在界面處氣泡脈動(dòng)不能完全傳播，而是有一部分發(fā)生了反射。

1.3起爆點(diǎn)和網(wǎng)格過渡界面距離對(duì)氣泡脈動(dòng)在網(wǎng)格過渡界面的反射影響

在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，炸藥的起爆點(diǎn)的位置離過渡網(wǎng)格的距離對(duì)實(shí)驗(yàn)也有一定的影響。圖5、圖6為爆炸中心離過渡界面為900，兩側(cè)網(wǎng)格比例分別為1：1時(shí)反射圖片和壓力曲線。

圖5　過渡網(wǎng)格為1：1的反射圖

圖6　過渡網(wǎng)格為1：1的（1800，400）（1700，600）（1500，800）處壓力曲線

吳俁倩，1989出生，河北省辛集市人，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。