摘要: 在船舶与海洋工程中，很多爆炸冲击问题会涉及到冲击波与复杂物质（气液固）界面的作用，比如在水下爆炸过程中，冲击波会与爆炸气泡、自由液面以及弹塑性结构发生相互耦合作用，水下空化溃灭过程中，当前气泡溃灭过程中产生的冲击波会与周围的其它空... 展开 在船舶与海洋工程中，很多爆炸冲击问题会涉及到冲击波与复杂物质（气液固）界面的作用，比如在水下爆炸过程中，冲击波会与爆炸气泡、自由液面以及弹塑性结构发生相互耦合作用，水下空化溃灭过程中，当前气泡溃灭过程中产生的冲击波会与周围的其它空化气泡以及壁面发生相互作用，因此对于水下冲击波与复杂物质界面的研究具有重要的学术意义。本文改进并使用五方程耗散界面可压缩多相流模型、虚拟单元浸没边界模型以及精确界面瞬态流固耦合模型来求解水下爆炸及空化溃灭过程中冲击波与复杂物质界面作用的物理问题，在研究时将物理问题简化并归类为：冲击波与气液界面作用、冲击波与刚性壁面作用以及冲击波与流固界面的作用三类，对于每一类均使用不同的算法进行求解。本文主要工作如下： 建立基于间断伽辽金算法的水下爆炸高精度单相流模型，该模型是后文求解水下爆炸问题时建立精确界面多相流模型和瞬态流固耦合模型的基础，并使用了一维Burgers算例和一维气液激波管算例对该模型进行验证。建立基于五方程耗散界面理论的水下冲击波与气泡作用模型，采用了基于有限体积离散的MUSCL和WENO等多种格式对其进行求解，采用了基于THINC重构的耗散处理技术来抑制物质界面处的数值耗散，采用了体积分数限制器和物质界面初始化技术来提高计算稳定性，采用了基于光滑函数的拉伸网格技术和基于MPICH2函数库的分布式并行技术来提高计算的效率，最后使用了多个一维和二维算例对该耗散界面多相流模型进行了详细的验证。 采用五方程耗散界面多相流模型模拟了自由场中、刚性壁面附近以及自由液面附近不同强度冲击波与单个气泡的作用，并且从典型流动特征、气泡溃灭时间、气泡运动特性、气泡射流特性、流场压力特性、流场温度特性、流场环量特性以及壁面压力特性等多个方面对不同边界条件下的冲击波与单个气泡作用问题进行了深入的研究。采用五方程耗散界面多相流模型模拟了水下冲击波与不同排列的两个气泡、均匀排列的多个气泡作用，同时还模拟了水下双冲击波与不同排列的两个气泡作用，并且从典型流动特征、流场压力特性、流场环量特性以及气泡溃灭特性等多方面对各个问题进行了深入的研究。在五方程耗散界面多相流模型的框架内嵌入虚拟单元浸没边界法来求解水下冲击波与复杂刚性壁面作用的物理问题，该浸没边界法的实现主要包括单元分类、虚拟单元插值、边界条件的施加以及运动边界的处理几部分，并通过刚体在激波管中的运动和冲击波与刚性圆柱壁面及棱柱壁面的作用对该算法进行了验证，最后使用该算法对水下冲击波与单个圆柱壁面、多个圆柱壁面、单个棱柱壁面以及多个棱柱壁面作用进行了研究。 基于水下爆炸高精度单相流模型，提出了一种改进的RKDG-RGFM可压缩多相流模型，用来求解近自由面水下爆炸问题，该算法的实现主要包括运动界面捕捉、气液界面处理、保证限制处理以及网格自适应几个部分，并且通过一维气-气和气-液激波管算例对算法进行了验证，最后使用该精确界面多相流模型对自由场中和近自由液面的单发及双发水下爆炸进行了模拟。建立了一个RKDG-FEM瞬态流固耦合模型来求解近弹塑性结构水下爆炸问题，该流固耦合模型主要包括结构的模拟、流体空化的模拟以及流固界面的处理，并通过多个一维和二维算例对该算法进行了验证，最后使用该算法对单层钢板和多层复合三明治板附近的水下爆炸流固耦合特性进行了对比研究。 收起