近场水下爆炸气泡坍塌后期撕裂行为及其对结构的损伤机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51709056
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    28.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E1101.海岸工程与海洋工程
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The destructive bubble jet has features of high directivity and high energy density, and the impact pressure is one of the most important loads during the final stage of bubble collapse in near-field underwater explosion. As suggested by many experimental studies, the bubble transforms into a toroidal bubble after the jet impact, and the toroidal bubble usually splits into two parts afterwards. However, the mechanisms of toroidal bubble splitting and the subsequent bubble loads are still not well understood. This project aims to establish a 3D numerical model to simulate toroidal bubble splitting using boundary integral method coupled with the vortex ring model. Then, the loads caused by the collapsing bubble can be obtained based on the auxiliary function method. On these bases, a fully coupled fluid-structure interaction model is established using elasticity and plasticity theory coupled with explicit finite element method. To validate the numerical model, experiments are intended to be carried out for a spark-generated bubble in a low-pressure tank. At last, the structural damages caused by the bubble pulsating pressure and the jet impact pressure are discussed systematically. The research results will provide theoretical reference and basic technical support for underwater explosion studies. Detailed research contents are as follows: 1) Modelling for toroidal bubble splitting and study on the pressure generated by a collapsing bubble; 2) Fully coupled fluid-structure interaction model for near-field underwater explosion bubble and the mechanisms of structural damage; 3) Experimental study on bubble splitting at the final collapse stage and the associated loads and the structural damages.
气泡射流载荷具有能量密度高、指向性强、破坏力大等特点,是近场水下爆炸气泡坍塌后期最重要的载荷形式之一。实验表明,射流砰击后常常会出现环状气泡撕裂行为,然而其背后的力学机理以及对气泡载荷的影响规律尚未揭示。鉴于此,本项目拟采用边界积分法和解析涡环理论,建立三维环状气泡撕裂动力学模型,实现气泡坍塌全过程的精细模拟,进而计算完整的气泡载荷。在此基础上,依据弹塑性动力学和瞬态流固耦合理论,建立计及材料弹塑性特征的气泡—结构“全耦合”计算方法,深入探索气泡脉动载荷与射流载荷对结构的损伤特性。最后,开展减压环境电火花气泡机理实验,验证数值模型的有效性,为舰船近场水下爆炸研究提供理论参考和基础性技术支撑。本项目的主要研究内容包括:1)环状气泡撕裂力学模型及气泡载荷特性研究;2)近场水下爆炸气泡—结构“全耦合”计算方法及结构损伤机理研究;3)气泡坍塌后期撕裂行为、载荷及结构损伤特性实验研究。

结项摘要

本课题以舰船水下爆炸抗冲击与水下武器毁伤效应为研究背景,重点研究大尺度水下爆炸气泡动力学行为及其与结构物非线性流固耦合特性,研究内容包括:(1)环状气泡撕裂力学模型及气泡载荷特性研究;(2)近场水下爆炸气泡-结构“全耦合”计算方法及结构损伤机理研究;(3)气泡坍塌后期撕裂行为、载荷及结构损伤特性实验研究。本项目首先提出了解析涡环理论,建立了环状气泡撕裂动力学模型,联合边界积分法实现了气泡坍塌全过程的精细模拟;其次,提出了气泡载荷分解的理论方法,将其分解为脉动载荷和射流载荷,并给出了这两种载荷的时空分布规律。在此基础上,依据固体力学和瞬态流固耦合理论,建立了超近边界气泡-结构强非线性瞬态“全耦合”计算方法(FCM),突破了距离参数对传统“松耦合”计算方法的限制,FCM相比LCM具有更高的计算精度和稳定性,发现在两种情况下LCM的计算精度会显著降低:(i)结构尺度小于最大气泡尺度;(ii)结构密度小于流体密度。本项目采用FCM深入系统的研究了不同边界条件下气泡与结构物的复杂耦合特性,得到了不同特征参数下气泡对结构物的攻击模式相图。在实验方面,本课题搭建了高重复性的电火花气泡和水下爆炸气泡实验台,开展了大量的气泡-结构耦合作用机理实验,发现了气泡对结构物的“弹射效应”、气泡环形射流及撕裂、气泡背离结构物迁移等许多新的物理现象,同时验证了数值模型的有效性,完善了本课题得到的相关结论。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
Bubble-sphere interaction beneath a free surface
自由表面下的气泡-球体相互作用
  • DOI:
    10.1016/j.oceaneng.2018.09.032
  • 发表时间:
    2018-12-01
  • 期刊:
    OCEAN ENGINEERING
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Li, Shuai;Khoo, Boo Cheong;Wang, Shiping
  • 通讯作者:
    Wang, Shiping
Numerical investigation of an underwater explosion bubble based on FVM and VOF
基于FVM和VOF的水下爆炸气泡数值研究
  • DOI:
    10.1016/j.apor.2018.02.024
  • 发表时间:
    2018-05-01
  • 期刊:
    APPLIED OCEAN RESEARCH
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Li, Tong;Wang, Shiping;Zhang, A-Man
  • 通讯作者:
    Zhang, A-Man
Experimental and numerical study on bubble-sphere interaction near a rigid wall
刚性壁附近气泡-球体相互作用的实验与数值研究
  • DOI:
    10.1063/1.4993800
  • 发表时间:
    2017-09-01
  • 期刊:
    PHYSICS OF FLUIDS
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Li, S.;Zhang, A. M.;Liu, Y. Q.
  • 通讯作者:
    Liu, Y. Q.
3D full coupling model for strong interaction between a pulsating bubble and a movable sphere
脉动气泡与可移动球体之间强相互作用的 3D 全耦合模型
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2019.05.001
  • 发表时间:
    2019-09-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Li, Shuai;Zhang, A-Man;Ma, Qingwei
  • 通讯作者:
    Ma, Qingwei
Transient interaction between a particle and an attached bubble with an application to cavitation in silt-laden flow
颗粒与附着气泡之间的瞬态相互作用及其在含泥流空化中的应用
  • DOI:
    10.1063/1.5044237
  • 发表时间:
    2018-08-01
  • 期刊:
    PHYSICS OF FLUIDS
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Li, Shuai;Zhang, A-Man;Han, Rui
  • 通讯作者:
    Han, Rui

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其他文献

摆锤冲击加载下砂岩中应变率动力特性的试验研究
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  • 期刊:
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    于淼
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由两个宽带源驱动的低噪声闭环光纤陀螺
  • DOI:
    10.1109/jlt.2019.2910543
  • 发表时间:
    2019-09
  • 期刊:
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  • 影响因子:
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    杨远洪;李帅;闫晗;靳伟
  • 通讯作者:
    靳伟
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  • 作者:
    李帅;董丰波;刁磊;陈永香;申倜;梁本运;魏彬;李崇桂
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  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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宽苞水柏枝醋酸乙酯部位化学成分的研究
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 作者:
    张瑛;袁怡;崔保松;李帅
  • 通讯作者:
    李帅

其他文献

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脉动气泡诱导自由液面不稳定塌陷演化机理及压力波削减规律研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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