【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶和海工结构防护领域，是一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控的设计方法及其系统。
技术介绍
1、水下爆炸产生的大尺度气泡在水中结构附近的坍塌模式存在三种情况，其中刚性边界吸引气泡朝向边界坍塌，自由面会诱导气泡远离边界坍塌，而当气泡受到相反的作用力且等效作用力相当时，其不再具有明显朝向一侧的运动趋势(中性坍塌)，其在真实的水下爆炸应用中广泛存在，例如自由面对气泡向下的排斥力与气泡自身向上的浮力相互抵消、气泡受到两侧结构的吸引、气泡阵列中受到挤压的内部气泡等。中性坍塌模式下气泡复杂的动力学行为导致其能量利用率和流场载荷发生变化。近场气泡中性坍塌会增加气泡射流能量占比，极大减弱气泡的脉动和射流载荷对水中结构的危害，而远场气泡中性坍塌则为明显增强气泡的脉动载荷，极易造成水中结构总体破坏。
2、由于诱导气泡中性坍塌发生的物理机制相对复杂，涉及到的参数繁杂，以往对这一特征的认知大多停留在定性层面，极少有研究能针对浮力效应明显的脉动气泡明确地给出气泡中性坍塌发生的参数条件以及诱导的流场载荷特征，尤其是在组合边界条件下。确定这些条件下的气泡中性坍塌特征涉及到大量的机理性研究和参数分析。边界积分方法通过将流场信息转化到气泡和边界表面，从而直接求解界面运动信息，极大地节省了计算时间和成本。通过求解边界积分方程，并应用伯努利方程构建的动力学边界条件，气泡在不同边界条件下的坍塌特征可以得到快速求解。基于势流理论的开尔文冲量法则通过解析推导给出了气泡在第一周期末的动量理论解，其可以很好地表征气泡坍塌特征。将边界积分方法和基础势
3、现有技术大多通过直接数值模拟开展水下爆炸气泡坍塌效能的预报，需开展大量的仿真获得机理性的规律来指导工程实践，但工程师的精力有限不可能遍历到所有条件，尤其是对于气泡中性坍塌这一特殊的气泡坍塌特征，其对于调控参数的精度较高，很容易造成工况遗漏。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控的设计方法，用以解决现有的工程中水下爆炸气泡中性坍塌模式和载荷的设计问题。
2、本专利技术提供一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控系统，用于实现一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控方法。
3、本专利技术通过以下技术方案实现：
4、一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
5、步骤1：输入水下爆炸的初始参数，并根据水下爆炸经验公式获得气泡脉动的特征参数；
6、步骤2：基于势流理论给出的气泡中性坍塌限制条件，基于步骤1得到的特征参数，调整水下爆炸应用中的可控参数；
7、步骤3：基于步骤2调整后的参数与边界条件限制，建立包含流域界面的边界积分矩阵方程组；
8、步骤4：基于步骤3的包含流域界面的边界积分矩阵方程组结合伯努利方程构建的动力学边界条件，更新界面位置，获得气泡的运动状态和动力学特征参数；
9、步骤5：基于步骤4的运动状态和动力学特征参数，根据气泡在坍塌末期的动量值判断气泡的坍塌效能，并调整气泡的可控参数进行计算直至达到中性坍塌模式；
10、步骤6：对水下爆炸气泡中性坍塌的效能参数进行记录并进行后处理。
11、进一步地，所述步骤1水下爆炸的初始参数包括炸药当量、水深和炸药与附近结构的距离，即可设置水下爆炸气泡的初始状态；
12、得到气泡初始状态后，基于水下爆炸的经验公式可计算得到气泡的特征参数，包括气泡最大半径和周期；
13、所述步骤1中的水下爆炸经验公式为：
14、
15、其中，rm为水下爆炸气泡所能膨胀到的最大半径，t为气泡脉动周期，p∞为气泡所处位置处的静水压力，w为炸药当量，h为炸药所处的水深。
16、进一步地，所述步骤2调整水下爆炸的可控参数其满足势流理论给出的气泡中性坍塌限制条件；
17、对于近水面附近的水下爆炸气泡中性坍塌限制条件为：
18、
19、对于水中结构上方的水下爆炸气泡中性坍塌限制条件为：
20、
21、其中，ds为气泡与其下方结构的距离；
22、水中结构侧方的水下爆炸气泡中性坍塌限制条件为：
23、
24、对于近水面水中结构上方的水下爆炸气泡中性坍塌限制条件为：
25、
26、对于水面结构侧方的水下爆炸气泡中性坍塌限制条件为：
27、
28、其中，dw为气泡与侧方结构间的距离。
29、进一步地，浅水域中水中结构侧方的水下爆炸气泡中性坍塌限制条件为：
30、
31、其中，de为气泡与海底的距离。
32、进一步地，所述步骤3中基于水下爆炸气泡的边界条件限制，离散边界积分方程，建立可求解的边界积分矩阵方程组；首先按照下式计算矩阵元素：
33、
34、其中，i和j为自然数，其取值从1到n；g(i,j)为格林函数，g(i,j)＝1/|ri-rj|，gij和hij分别为两个n×n矩阵中的元素；sj代表流场中所有的两相界面，λ(i)为场点观察流场的立体角。
35、进一步地，所述步骤4所要求解的矩阵方程如下：
36、
37、其中，为节点速度势，为速度势的法向导数。
38、基于伯努利方程构建的界面动力学边界条件为：
39、
40、其中p为界面表面压力；
41、对于气泡表面的压力p可按下式计算：
42、
43、其中，p0为气泡初始内部压力，ε为绝热系数，v0和v分别为初始时刻和当前时刻的气泡体积。
44、进一步地，对于存在水中结构的情况，结构边界上的节点法向速度为零，速度势可由边界积分方程求解得出，因此对于显示离散出刚性边界网格的情况，需将矩阵方程进行移项，使得已知物理量和未知物理量分开。
45、进一步地，进行时间推进求得每一时间步气泡表面的法向速度和壁面节点的速度势，进一步根据速度势与速度的差分关系可求得各节点的切向速度；得到节点的切向速度后则可更新界面位置，时间推进的过程中，对时间步长作限制；
46、记录气泡在每一时间步的节点位置、速度和压力，并计算气泡的动量。
47、进一步地，所述步骤5根据气泡在坍塌末期的动量值判断气泡的坍塌效能，当气泡在坍塌末期某一维度ft不为零，需要调整炸药当量或适当改变气泡与结构的距离重新进行计算，直至该维度ft接近于零。
48、一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控系统，所述系统使用如上述用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控的设计方法，所述系统包括
49、气泡脉动的特征参数获取模块，输入水下爆炸的初始参数，并根据水下爆炸经验公式获得气泡脉动的特征参数；<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤1水下爆炸的初始参数包括炸药当量、水深和炸药与附近结构的距离，即可设置水下爆炸气泡的初始状态；
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤2调整水下爆炸的可控参数其满足势流理论给出的气泡中性坍塌限制条件；
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，浅水域中水中结构侧方的水下爆炸气泡中性坍塌限制条件为：
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述步骤3中基于水下爆炸气泡的边界条件限制，离散边界积分方程，建立可求解的边界积分矩阵方程组；首先按照下式计算矩阵元素：
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述步骤4所要求解的矩阵方程如下：
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，对于存在水中结构的情况，结构边界上的节点法向速度为零，速度势可由边界积分方程求解得出，因此对于显示离散出刚性边界网格的情况，需将矩阵方程进行移项，使得已知物理量
8.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，进行时间推进求得每一时间步气泡表面的法向速度和壁面节点的速度势，进一步根据速度势与速度的差分关系可求得各节点的切向速度；得到节点的切向速度后则可更新界面位置，时间推进的过程中，对时间步长作限制；
9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤5根据气泡在坍塌末期的动量值判断气泡的坍塌效能，当气泡在坍塌末期某一维度Ft不为零，需要调整炸药当量或适当改变气泡与结构的距离重新进行计算，直至该维度Ft接近于零。
10.一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控系统，其特征在于，所述系统使用如权利要求1-9任一所述用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控的设计方法，所述系统包括
...【技术特征摘要】
1.一种用于水下爆炸气泡中性坍塌效能调控的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤1水下爆炸的初始参数包括炸药当量、水深和炸药与附近结构的距离，即可设置水下爆炸气泡的初始状态；
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤2调整水下爆炸的可控参数其满足势流理论给出的气泡中性坍塌限制条件；
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，浅水域中水中结构侧方的水下爆炸气泡中性坍塌限制条件为：
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述步骤3中基于水下爆炸气泡的边界条件限制，离散边界积分方程，建立可求解的边界积分矩阵方程组；首先按照下式计算矩阵元素：
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述步骤4所要求解的矩阵方程如下：
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：李世民，张阿漫，梁昊，秦昊，冯集团，刘晓波，张文超，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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