1、氣泡動力學(xué)是流體力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典問題，由于氣泡在不同的環(huán)境下表現(xiàn)出不同的動態(tài)特性，在多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用背景，氣泡動力學(xué)的研究也受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。水下爆炸氣泡動力學(xué)作為其中一個(gè)重要的研究方向，能夠?yàn)榕灤贡箾_擊和水下武器毀傷機(jī)理研究提供必要的參考和依據(jù)。
　　本文首先從氣泡動力學(xué)的應(yīng)用背景和基本現(xiàn)象入手，并從理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值三個(gè)方面對國內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，發(fā)現(xiàn)由于傳統(tǒng)邊界元?dú)馀輨恿W(xué)模型在精度、穩(wěn)定性和適用范圍等方面

2、的限制，無論在氣泡動力學(xué)分析方法還是氣泡動態(tài)特性的現(xiàn)象和本質(zhì)方面，仍有很多關(guān)鍵問題有待解決。為此本文針對其中的典型問題，從理論和數(shù)值角度對傳統(tǒng)的氣泡動力學(xué)邊界元模型進(jìn)行改進(jìn)，并將其應(yīng)用到艦船抗沖擊的關(guān)鍵問題研究中。
　　在不可壓縮勢流理論的假設(shè)下，推導(dǎo)了氣泡動力學(xué)邊界元方法的基本方程，建立了不同環(huán)境下的氣泡動力學(xué)模型。針對傳統(tǒng)模型中渦環(huán)模型的計(jì)算精度和穩(wěn)定性問題，提出了新的誘導(dǎo)速度勢積分方法，并對環(huán)狀氣泡初始的數(shù)值切割、渦環(huán)位置更

3、新等數(shù)值過程進(jìn)行了一系列的改進(jìn)；在彈性網(wǎng)格技術(shù)的啟發(fā)下，引入密度勢函數(shù)來表征曲面網(wǎng)格局部節(jié)點(diǎn)密度，以此為衡準(zhǔn)建立了密度勢方法，來改善氣泡運(yùn)動過程中局部網(wǎng)格密度與變形不協(xié)調(diào)的問題。然后結(jié)合基于邊翻轉(zhuǎn)技術(shù)的曲面網(wǎng)格拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，提出了適用于氣泡動力學(xué)的三維曲面網(wǎng)格優(yōu)化方法，通過與其它不同方法的對比，檢驗(yàn)了該方法的有效性，并體現(xiàn)了其優(yōu)勢。對于開域問題，利用立體角與渦環(huán)速度勢等效原理，提出了雙層位勢的奇異積分計(jì)算方法，并分別針對開域壁面和開域自

4、由面兩種情況，修正了邊界積分方程，以考慮未離散的遠(yuǎn)場邊界的影響；然后針對自由面與結(jié)構(gòu)交界處的過約束問題，采用“雙節(jié)點(diǎn)技術(shù)”建立了考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)動的流固交界處理方法。最后在勢流假設(shè)下，分別針對浮體結(jié)構(gòu)的剛性運(yùn)動和彈性變形，采用輔助函數(shù)分解方法推導(dǎo)了與氣泡和自由面的耦合運(yùn)動方程，形成了考慮自由面非線性效應(yīng)的氣泡與結(jié)構(gòu)流固耦合計(jì)算模型。
　　自由場和簡單完整邊界附近的氣泡動態(tài)特性問題一直是氣泡動力學(xué)機(jī)理研究的關(guān)注對象。采用本文改進(jìn)的軸對稱和

5、三維氣泡動力學(xué)模型，分別對自由場、自由面、剛性壁面附近的氣泡脈動、射流以及環(huán)狀氣泡回彈等先行進(jìn)行了模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。尤其是三維環(huán)狀氣泡的計(jì)算結(jié)果與軸對稱模型在氣泡變形細(xì)節(jié)上達(dá)到一致，表明本文改進(jìn)方法的數(shù)值穩(wěn)定性和精度較傳統(tǒng)方法有顯著的提高。然后分析了豎直壁面和浮力聯(lián)合作用下的非軸對稱問題，發(fā)現(xiàn)氣泡坍塌階段產(chǎn)生的斜射流在環(huán)狀氣泡階段被逐漸扶正，向垂直于壁面的方向發(fā)展。
　　為研究具有破口的艦船邊界附近的水下爆炸對

6、其沖擊作用，系統(tǒng)地研究了背水和背空兩種破損平板邊界與氣泡的耦合動態(tài)特性。對于背水破損平板邊界，分析了對射流現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，并研究了距離參數(shù)和破口參數(shù)對氣泡運(yùn)動的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)距離較近時(shí)氣泡運(yùn)動由破口主導(dǎo)，而距離較遠(yuǎn)時(shí)則由壁面主導(dǎo)。同時(shí)對于超近距離下氣泡與壁面融合的特殊現(xiàn)象，提出了流場分離模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法求解，并分析了這一范圍內(nèi)的氣泡運(yùn)動特點(diǎn)。另一方面，對于背空的破損平板邊界，發(fā)現(xiàn)由于邊界的不連續(xù)性，使得自由面水冢的形態(tài)與完整邊界下自由面

7、水冢有明顯的區(qū)別，呈現(xiàn)出顯著的非線性，可產(chǎn)生多層的皇冠，甚至塔形水冢。而邊界對氣泡的影響則可看做自由面與壁面的聯(lián)合作用。在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離較近時(shí)，自由面邊緣在氣泡收縮階段產(chǎn)生明顯的空腔，可能與氣泡發(fā)生融合，從而使其喪失大部分能量。這對于研究水下爆炸對具有破口的艦船表面的沖擊問題具有一定的參考價(jià)值。
　　針對舷側(cè)水下爆炸氣泡對艦船的局部損傷效果，由于艦船舷側(cè)與自由面相交，邊界條件在此處發(fā)生突變，且其附近氣泡受到多種力的作用，使其耦

8、合過程十分復(fù)雜。本文分別討論了無限大的傾斜壁面和圓形舭部兩種舷側(cè)形式附近的氣泡運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)在自由面與外飄和內(nèi)傾舷側(cè)的交界處呈現(xiàn)出不同強(qiáng)非線性效應(yīng)，對后期的自由面對艦船舷側(cè)的砰擊作用具有明顯的影響。
　　由于氣泡載荷的低頻特性，會引起明顯的剛體運(yùn)動和低頻的彎曲振動。對于剛體運(yùn)動問題，除了前期的氣泡載荷，氣泡在自由面處破裂時(shí)興起的波浪也會對艦船產(chǎn)生砰擊，從而威脅其動穩(wěn)性。針對這一問題，采用本文所建立的氣泡與浮體結(jié)構(gòu)的流剛耦合模型對二維情

9、況下氣泡及其破裂興波作用下自由面浮體的剛體運(yùn)動進(jìn)行了研究，并分析了工況參數(shù)對其影響規(guī)律，總結(jié)了氣泡在自由面興波的毀傷區(qū)間。對于彎曲振動，幅值過大時(shí)威脅艦船的總縱強(qiáng)度，為此，本文在考慮自由面非線性效應(yīng)、艦船初始靜水彎矩和波浪作用下的總縱強(qiáng)度問題，并重點(diǎn)分析了各種因素引起的附加質(zhì)量改變導(dǎo)致的船體梁總體響應(yīng)變化，發(fā)現(xiàn)波浪對船體最終響應(yīng)具有非線性的影響，艦船處于波峰的情況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨波幅的變化要明顯比處于波谷時(shí)對波幅更為敏感，可以為艦船的抗爆抗