气泡脉动在网格过渡界面的反射模拟研究

山西中北大学机电工程学院　吴俣倩

气泡脉动在网格过渡界面的反射模拟研究

山西中北大学机电工程学院吴俣倩

在Autodyn中运用Euler法对网格过渡界面的气泡脉动进行数值模拟，在相同的边界条件下，分别对网格过渡两侧的网格比例和起爆点离网格过渡界面的距离做调整，发现在网格过渡界面存在严重的反射现象，说明Euler法在计算中存在缺陷，不适合水下爆炸问题的处理。

气泡脉动；起爆点；过渡界面；反射界面；数值模拟

引言

水下爆炸［1］的研究通常采用理论研究，试验法和数值模拟法，近年来随着计算机技术的发展，数值模拟越来越被广泛地应用，在水下爆炸分析中，数值模拟被用来处理在数学分析法无法求解或者难以控制的动态系统。目前在众多数值模拟软件中比较常用的有 LS-DYNA、ABAQUS、AUTODYN、DYTRAN、NAS

TRAN、ADINA、DYNA、ASKA等。其中Autodyn软件拥有拉格朗日、欧拉任意拉格朗日欧拉和光滑粒子流体动力等多个求解器。其中欧拉算法适合于描述液体和气体的行为，自由边界面和材料的交界面可以通过固定的欧拉网格来表达，大变形或者有流动的情形并不会导致网格畸变［2］。

1水下爆炸模型建立及分析

1.1水下爆炸模型

本文的模拟采用了AUTODYN的二维模拟方法，使用欧拉算法进行计算，采用二维计算方法相对于三维来说，可以大幅度缩小计算规模，可以划分为较为细密的网格，计算精度大为提高。在计算过程中，网格划分的质量直接影响计算的精度及计算能否顺利运行，网格的过渡方式会影响计算结果物理量的时间历程的发展规律，因此在建模过程中采用了均匀网格划分［3］。在本文中我们采用的界面过渡方式如图1所示。

图1　界面过渡方式

实验中采用的单位为mm，mg，ms。第一种模型为一边长为3600mm的正方形水域；第二种情况为我们假定一有限水域有两部分组成（如图2）。下面部分长为3600mm，宽为600mm（简称部分1），上面部分长为3600mm，宽为3000mm（简称部分2）。两部分之间进行joins操作，实验分别测试了过渡界面处网格比例密度分别为1：1，1：2，2：3的情况（前者是部分1，后者是部分2），部分2选用的网格尺寸均为6，部分1网格尺寸分别为6、9、12。炸药为半球形装药，半径为50mm，位于底部中心即（1800，0）处。图2为水下爆炸计算模型。

图2　水下爆炸模型

1.2实验结果与分析

我们对圆心位于原点的半球形装药且装药尺寸为50mm的TNT进行水下爆炸的数值模拟，观察其界面处的反射现象。图 3、图 4为 0.539ms时边长为3600mm的完整正方形的实验结果和过渡界面处网格比例为1：1的实验结果（网格尺寸划分都为6的模型）。

图3　不存在过渡界面的实验结果

图4　存在过渡界面网格比例为1：1时实验结果

通过实验可以看出，在气泡脉动到达过渡界面时，反射现象出现并逐渐清晰，由上面两张图对比可以看出后者存在明显的反射迹象。

通过调整网格过渡界面两侧的网格比例，仍然存在反射现象。

综上所述，在用欧拉网格处理问题的过程中，join后仍存在界面问题。在界面处气泡脉动不能完全传播，而是有一部分发生了反射。

1.3起爆点和网格过渡界面距离对气泡脉动在网格过渡界面的反射影响

在进行模拟实验时，炸药的起爆点的位置离过渡网格的距离对实验也有一定的影响。图5、图6为爆炸中心离过渡界面为900，两侧网格比例分别为1：1时反射图片和压力曲线。

图5　过渡网格为1：1的反射图

图6　过渡网格为1：1的（1800，400）（1700，600）（1500，800）处压力曲线

吴俣倩，1989出生，河北省辛集市人，硕士，研究方向：结构设计方面。