基于Abaqus CEL方法的水下爆炸气泡脉动模拟
本文基于Abaqus CEL方法对水下自由场的气泡脉动进行了模拟，模拟结果可以很好的表现出气泡三次脉动的过程，并与理论计算值，以及实验都十分吻合。
水下爆炸产生的气泡脉动是爆炸能量释放的核心现象之一，其动态行为直接影响冲击波传播、流体-结构相互作用及毁伤效应。传统研究依赖复杂实验，而数值模拟为揭示这一瞬态过程提供了高效精准的新途径。本文基于Abaqus CEL（耦合欧拉-拉格朗日）方法，生动复现了水下爆炸气泡从膨胀、收缩到溃灭的全周期演变，通过数值仿真，可以清晰呈现气泡形态震荡、压力场演化等特征，为水下爆破工程设计、舰艇防护优化等领域提供关键理论支撑。Abaqus作为大家熟知的结构仿真软件，能否用于模拟这样一个流体现象呢？答案是肯定的。当然，传统的Lagarian方法并不适用，Abaqus中的CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）结合了Eulerian和Lagrangian方法，可用来模拟材料大变形或流体与固体相互作用。比如：金属锻造时像橡皮泥一样剧烈变形；
海浪冲击船体；
爆炸导致土壤飞溅；
注塑成型时塑料流动填充模具。
我们本文就将介绍如何利用Abaqus CEL方法，模拟一个水下自由场中TNT炸药爆炸所产生的气泡的脉动过程——水下自由场指的是在水底足够深，边界的影响作用已经可以忽略不计，这就要求我们建模时，水域的尺寸足够大。我们参考了论文[1]，模拟炸药为半径0.02m的球形TNT炸药（当量55g），位于水下深度为3.5m，水域尺寸如下图所示。由于水域的尺寸远远大于炸药尺寸，我们可以认为边界的作用已经可以忽略不计。由于CEL方法无法用于二维模拟，必须建立三维模型，而该模拟水域又必须画得非常大才能忽略边界的影响，因此，为了尽可能节约计算量，我们在abaqus中划分1/4对称模型，如下图所示：下面展示了Abaqus模拟的结果和Youtube上找到的实验视频对比，十分吻合，该动画展示的是气泡在大约250ms的时间内的脉动过程，炸药为55g的球形炸药，从动画中我们可以清晰的看到气泡三次变大，最后溃灭的过程，同时伴随着上浮：进一步对仿真结果进行分析可以看到，从距离爆炸点一定距离处的压力曲线可见，气泡从冲击波压力波峰处开始膨胀，在压力平稳的时候涨到最大，然后在第一次脉动产生峰值压力时，气泡缩到最小，接着进入下一次脉动，进行相似的增大缩小的循环。仿真结果可以很好的展示出实际的气泡脉动现象，那么能否和理论数值对上呢？这里，我们需要通过水下自由场气泡脉动的理论公式进行计算，将解析结与仿真结果进行对比，计算公式同样参考文献[1]。通过理论推导，可以根据公式计算出气泡第一次膨胀的最大半径Rm和第一次脉动的周期T。根据模型中TNT炸药公式中的W=54.6g, H=3.5m, 计算可得Rm=0.53852 m，近似为0.54m。脉动周期T=88.994ms, 论文中取88ms，因此，气泡达到最大时的时刻T1=T/2=44ms。理论结算与仿真结果的对比如下所示。参考资料链接：
[1]谭皓洋. 基于CEL方法的舰船近场水下爆炸全过程数值模拟研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2017.
