基于OpenRadioss的近水面水下爆炸气泡脉动数值模拟

       

自从Radioss开源以来，用OpenRadioss替代传统商业软件（LS-dyna，Abaqus等）以进行爆炸方面等国防军工方面的研究，是一项非常有意义的工作。本文利用OpenRadioss精确复现了一个近水面的水下爆炸过程，与实验以及理论对照良好。研究过程不易，经过了许多摸索才顺利实现，在Hypermesh中的设置过程已经仔细清晰的录制在课程视频中，点击“阅读原文”链接至课程视频。

     

Abaqus对于近水面爆炸的局限性

在前两天发表的这篇文章中——基于Abaqus CEL方法的水下爆炸气泡脉动模拟——我们介绍了水下自由场爆炸时气泡模拟，即不考虑边界对气泡的影响。而对于近水面的爆炸问题，则要求考虑到空气和水的交界面对气泡脉动的影响，所引起的空化效应，而Abaqus CEL方法本身无法考虑空化效应，需要基于vueos编写截断子程序，具有一定难度，精度也较差。

而OpenRadioss自带截断模型，无需自行编写，可以更精确的考虑空气和水交界面处的空化效应，并且是开源软件，相比Abaqus,在模拟水下爆炸这方面更具优势。

   OpenRadioss对水下爆炸模拟的能力  

为了基于OpenRadioss 进行近自由面水下爆炸仿真，我们探索了Hypermesh中的整个仿真设置，并与实验结果进行对比，验证结果的正确性。由于研究Radioss的资料相当少，尽管官方有一个水下爆炸的案例，并且它的压力峰值与理论对应非常好，但是经过我们的计算，该案例并不能正确的模拟气泡脉动的现象。

  Altair Radioss水下爆炸官方案例

从结果可见，上图案例中所采用的Law151单元适用于水下爆炸的空化效应（左图）且和压力峰值模拟与理论值吻合良好（右图）。但还无法 正确体现气泡脉动现象，如下图所示，而采用较为传统的Law51能较精确模拟气泡脉动现象（针对二维模型）。

 

   仿真模型介绍  

 

 

 

如上图所展示，基本展示了Hypermesh中所需设置。

   仿真结果与实验对标    

以下展示了气泡的演化过程，首先可以进行现象的比较：

   

   

 

• 在爆炸初期气泡迅速膨胀，由于与自由水面的强耦合作用，水面被拱起，形成较小的水冢，气泡呈椭球形，此时重力与浮力对其影响较小，且椭球形顶部被水冢部分所包裹。

• 在约t=18.1ms 时，气泡半径接近最大值约0.28m，此时内部压力达到第一次脉动周期的最小值，气泡与周围水介质边界处的速度降为零，开始进入收缩过程，同时，气泡顶部被水冢部分迅速下压导致坍塌，水冢部分继续被抬高，形成上升速度较快水柱。

• 在约t=22.8ms时，可以看出由于自由面和重力的耦合作用，气泡顶部形成两股运动方向相反明显的水流。

• 在约t=35ms时，由于惯性，气泡迅速收缩形成环状气泡，第一次达到最小体积，在这之后，迅速产生背离水面向下的高速射流，并开始第二次脉动膨胀。

• 在约t=44.7ms时，在膨胀的过程中自由面再一次隆起，与第一次脉动产生的高速水柱形成了皇冠形水冢，由于第一次脉动消耗了大量能量，第二次脉动持续时间较短，膨胀幅度较小。

• 值得注意的是，由于第二次脉动的衰弱特性且气泡中心处射流速度极快，周围水介质压力较大，导致第二次脉动时产生气泡撕裂现象，将气泡剪切成多个独立气泡。在之后的一段时间里，随着气泡继续周期性脉动，气泡会持续的发生融合、分裂过程，且皇冠形水冢发生破碎，向四周溅射。

  
  

之后我们可以进行定量的对比——仿真中气泡最大半径时刻为18.5ms,此时对应的气泡最大半径为0.28m, 参考文献中实验结果气泡最大半径时刻18.1ms，气泡最大半径为0.31m，最大半径的误差<10%, 考虑到模拟做了二维简化，与实际模型有一定差异，此外实验测量也存在一定误差，仿真的精度是可以接受的。

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.