近场水下爆炸气泡与不完整边界的耦合效应研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51379039
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    82.0万
  • 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:
    2017
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Underwater explosion of torpedo, mine and other underwater weapons will produce two major loads, namely shockwave and bubble, which will do great damage to warship structures, especially for near-field underwater explosion, it is of great significance to study the secondary damage after attacked. The initial crevasse will be produced under the impact of shockwave, i.e., the incomplete boundary is formed, and then a strong coupled effect will be taken between the bubble and the incomplete boundary, which will causes the secondary damage to structures. Due to the presence of strong nonlinear problems of discontinuity, large deformation, multiphase mixing, very close to boundary and so on, there are many challenges in solving these problems with a sole method,such as Finite Element Method (FEM), Boundary Element Method(BEM), Smothed Particle Hydrodynamics(SPH),etc. However,it is a good choice to take advantages of the above three methods to solve this difficult problem. Therefore, on the background of near-field underwater explosion, considering the shock damage of prophase, based on the first and second laws of thermodynamics, the compressible fluid dynamics theory and the fluid-structure interaction theory, etc., the coupled dynamics model of near-field underwater explosion bubble and incomplete boundary is established to be solved by the combination of SPH method, BEM method and FEM method. The stages of bubble formation and jet are simulated with SPH method, yet the pulsation stage with BEM method; the structural shock responses are resolved with SPH shell and FEM method. In addition, the model experiments are also conducted with the silent discharge equipment to verify the accuracy and effectiveness of the above method, meanwhile, the dynamic characteristics of bubble in decompression and normal pressure condition are also compared. On basis of these, the interaction mechanism of bubble and incomplete boundary will be investigated to provide a theroetical reference and technical support for the relevant researches on near-field underwater explosion of warship. The main research contents are as follows: 1) the underwater explosion bubble dynamics model in three dimensional compressible flow-field considering the effects of initial conditions; 2) the influences of "cavity suction phenomenon" of incomplete boundary on bubble jet; 3) the coupled effects between bubble and incomplete boundary considering structural elastoplasticity; 4) the model experiments of bubble near incomplete boundary in decompression condition.
鱼雷、水雷等武器近场水下爆炸对舰船结构造成严重毁伤,冲击波首先对舰船结构造成初始破口,形成不完整边界,接着水下爆炸气泡与具有初始破口的不完整边界产生强烈的耦合效应,对结构造成二次毁伤,由于此时存在超近边界、不连续、大变形等诸多强非线性问题,传统单一的有限元、边界元等方法在求解该问题时均存在着巨大的挑战。为此,本项目拟基于热力学第一、二定律、可压缩流体动力学理论以及流固耦合理论,建立近场水下爆炸气泡与不完整边界的耦合动力学模型,采用SPH方法与边界元方法、有限元方法联合求解该模型,并采用模型实验验证求解方法的正确性,在此基础上,探索气泡与不完整边界的相互作用机理。本项目的主要研究内容包括:1)计入初始条件影响的可压缩流场中气泡三维动力学模型;2)不完整边界的"腔吸现象"对气泡射流的影响规律;3)计入结构弹塑性特征的气泡与不完整边界的耦合效应;4)减压条件下不完整边界附近气泡运动模型实验研究。

结项摘要

水下爆炸包括两大部分载荷,冲击波和气泡,近场水下爆炸冲击波首先对舰船结构造成严重的局部损伤,使得结构产生初始破口,形成不完整边界。接下来水下爆炸形成高温高压的大尺度气泡,其与不完整边界产生强烈的耦合效应。在不完整边界条件下,气泡产生非对称射流、“腔吸”等现象,气泡的非线性运动产生的脉动和射流载荷对已破损的舰船结构造成二次损伤,严重威胁舰船的生命力。其中涉及近边界气泡运动、瞬态流固耦合等强非线性基础力学难题,前期研究人员已经进行了较多的研究,取得了较好的研究进展,但是由于问题的复杂性,仍有许多本质的基础力学问题有待深入研究。本项目按照计划任务书的研究内容和目标要求,依据流体动力学理论和流固耦合动力学理论,建立气泡与不完整边界的耦合模型与计算方法,并结合机理性实验,研究了不完整边界条件下气泡的运动与载荷特性,揭示了气泡与不完整边界的相互作用机理。主要完成的研究内容如下:.(1)依据流体动力学理论,建立了水下爆炸气泡与不完整边界耦合的三维动力学数值模型,并开发了相应的计算方法,并采用理论和实验值验证了计算方法的有效性。.(2)开展了不完整边界附近气泡运动与载荷特性的模型实验研究,研究了水下爆炸气泡与不完整边界耦合效应,得到了气泡的运动与载荷特性。.(3)研究了气泡与自由液面附近不完整边界的相互作用,探索了不完整边界对气泡运动的影响规律,揭示了不完整边界附近气泡的射流和“腔吸”现象的机理。.(4)研究了水下爆炸气泡后期载荷与破损船舶的流固耦合机制,给出了水下爆炸后期载荷对已破损船舶的作用规律。.(5)形成了水下气泡无声放电实验装置,开发了水下爆炸气泡与不完整边界相互作用计算软件。.在该国家自然科学基金的资助下,在《Physics of Fluids》、《Ocean Engineering》等期刊发表学术论文20篇,其中SCI检索19篇,EI检索19篇,高被引文章2篇,获得国防科学技术进步一等奖1项。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
The dynamic behaviors of a bubble in a confined domain
有限域内气泡的动态行为
  • DOI:
    10.1016/j.oceaneng.2017.08.021
  • 发表时间:
    2017-11
  • 期刊:
    Ocean Engineering
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    N.N.Liu;F.R.Ming;L.T.Liu;S.F.Ren
  • 通讯作者:
    S.F.Ren
Numerical investigation on the dynamics of two bubbles
两个气泡动力学的数值研究
  • DOI:
    10.1016/j.oceaneng.2015.10.032
  • 发表时间:
    2015-12-01
  • 期刊:
    OCEAN ENGINEERING
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Han, Rui;Zhang, Aman;Liu, Yunlong
  • 通讯作者:
    Liu, Yunlong
Interaction between bubble and air-backed plate with circular hole
气泡与圆孔气垫板的相互作用
  • DOI:
    10.1063/1.4953010
  • 发表时间:
    2016-06
  • 期刊:
    Physics of Fluids
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Liu Y. L.;Wang S. P.;Zhang A. M.
  • 通讯作者:
    Zhang A. M.
Investigation on the dynamics of air-gun array bubbles based on the dual fast multipole boundary element method
基于对偶快速多极边界元法的气枪阵列气泡动力学研究
  • DOI:
    10.1016/j.oceaneng.2016.07.052
  • 发表时间:
    2016-09
  • 期刊:
    Ocean Engineering
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Huang X.;Zhang A. M.;Liu Y. L.
  • 通讯作者:
    Liu Y. L.
An SPH modeling of bubble rising and coalescing in three dimensions
三维气泡上升和聚结的 SPH 模型
  • DOI:
    10.1016/j.cma.2015.05.014
  • 发表时间:
    2015-09-01
  • 期刊:
    COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Zhang, Aman;Sun, Pengnan;Ming, Furen
  • 通讯作者:
    Ming, Furen

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其他文献

Smoothed particle hydrodynamics and its applications in fluid-structure interactions
光滑粒子流体动力学及其在流固耦合中的应用
  • DOI:
    10.1016/s1001-6058(16)60730-8
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of Hydrodynamics
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    张阿漫;孙鹏楠;明付仁;A.Colagrossi
  • 通讯作者:
    A.Colagrossi
三维气泡与刚性壁面的相互作用研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    计算力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张阿漫;孙士丽;王诗平;姚熊亮
  • 通讯作者:
    姚熊亮
气泡与球鼻艏结构相互作用实验研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    振动与冲击
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王诗平;程晓达;张阿漫;程潇欧
  • 通讯作者:
    程潇欧
气泡与弹性边界的相互作用研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王诗平;张阿漫;刘云龙;姚熊亮
  • 通讯作者:
    姚熊亮
近自由液面气泡与冲击波的相互作用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    中国舰船研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    叶曦;初文华;陈林;张阿漫
  • 通讯作者:
    张阿漫

其他文献

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张阿漫的其他基金

水下爆炸与舰船毁伤
  • 批准号:
    51925904
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    400 万元
  • 项目类别:
    国家杰出青年科学基金
水中高压脉动气泡破冰数值模拟与实验研究
  • 批准号:
    11872158
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    63.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
海底资源探测高压气枪气泡动力学特性研究
  • 批准号:
    11672081
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
    52.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
水下爆炸气泡与弹性边界相互作用的数值模拟研究
  • 批准号:
    10976008
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    30.0 万元
  • 项目类别:
    联合基金项目
近自由面水下爆炸气泡与水冢现象相互作用的机理研究
  • 批准号:
    50809018
  • 批准年份:
    2008
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
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相似海外基金

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  • 财政年份:
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  • 项目类别:
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知道了

AI项目解读示例

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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