水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述_张阿漫.caj
第3期第6卷第3期2011
年6月中国舰船研究
Chinese Journal of Ship Research
Vol .6No.3
Jun.2011
doi ：10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.001
1引言
水下爆炸物理现象十分复杂［1－15］，包括初始爆轰、冲击波、爆轰物形成的气泡，且气泡运动诱发滞后流、气泡坍塌产生脉动压力及高速射流。
当爆炸物在水中爆炸时，在一瞬间产生大量
的高温、高压爆轰产物，强烈的挤压周围的流体介质，使其压力、密度迅速升高，形成初始冲击波。对此，Cole ［1］对水下爆炸的现象、物理化学变化、水下爆炸载荷的分布和传播特点进行了详尽的阐述，并给出了水下爆炸冲击波的半经验半理论公式。通常，冲击波的压力大、时间短，呈现高频特征，对
水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述
张阿漫1
王诗平1
汪
玉2
姚熊亮1
1哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001
2海军装备研究院，北京100073
摘
要：鱼雷、水雷等水中兵器是舰船生命力的主要威胁之一。舰船水下爆炸已成为国际上研究的热点问题，虽
然，近年来在舰船水下爆炸领域取得了一系列丰硕的研究成果，但迄今为止，水下爆炸冲击波、气泡运动及其对舰船结构的毁伤机理与规律仍未被完全揭示。针对此研究现状，首先分析了水下爆炸载荷特性，总结了水下爆炸对舰船结构的毁伤特性；其次，从应用研究和科学研究两方面，概括了舰船水下爆炸实验、理论分析以及数值方法方面的研究进展，总结了在基础研究方面存在的问题，旨在为舰船抗爆抗冲击相关研究提供参考。关键词：水下爆炸；舰船结构；冲击波；气泡中图分类号：U661.44
文献标志码：A
文章编号：1673－3185（2011）03－01－07
Advances in the Research of Characteristics of Warship Structural Damage Due
to Underwater Explosion
Zhang A－man 1Wang Shi－ping 1Wang Yu 2
1School of Shipbuilding Engineering ，Harbin Engineering University ，Harbin 150001，China
2Naval Academy of Armament ，Beijing 100073，China
Abstract ：Underwater shock loading due to explosion of torpedo or mine may be one of the main threats to the survivability of ship．This has attracted enormous interest in the warship design field ，and a large literature dedicated to the underwater explosion problem over the past several years have been released ，however ，the behaviors in terms of underwater explosion shock wave ，bubble dynamics together with their impacts on the ship structure have not yet been fully revealed．This paper analyzed the characteris-tics of underwater explosion loads ，and summarized the characteristics of structural damages to the ship subjected to underwater explosion．The paper also outlined the development progresses both in the appli-cation and scientific research ，ranging from experimental studies ，theoretical analyses to numerical meth-ods for the research purpose．The issue has been put forward to address the necessity of basic research ，which aims to provide a reference for related researches on warship anti－detonation and anti－shock．Key words ：underwater explosion ；ship structure ；shock wave ；bubble
收稿日期：2010-11-16
基金项目：第十二届霍英东教育基金项目（121073）；国家自然科学基金项目（10976008，50809018，51009035，50939002）；
国库基本科研业务费资助项目（GK2010260108）
作者简介：张阿漫（1981－），男，博士，教授。研究方向：水下爆炸气泡动力学。E-mail ：amanzhang@https://www.wendangku.net/doc/c315599421.html,
王诗平（1983－），男，博士研究生。研究方向：水下爆炸气泡动力学。E-mail ：shipingwang316@https://www.wendangku.net/doc/c315599421.html,
第6卷
中国舰船研究舰船结构造成严重局部损伤［6－7］。气泡脉动运动是水下爆炸区别于空中爆炸的重要方面。爆轰阶段结束以后，在水中产生的高温、高压的爆轰产物（主要为气体）为初始气泡，在气泡内外压力差以及流体惯性的双重作用下脉动运动，产生滞后流，并对水中结构物产生脉动压力。气泡滞后流、脉动压力载荷大、时间长，呈现低频特征，对舰船造成总体毁伤［16－21］。此外，在特定的条件下，水下爆炸气泡还会存在高速射流现象。射流形成的原因主要源于以下方面：
1）气泡周围的其他边界面，如固壁面或自由
面；
2）惯性力的作用，如重力；
3）气泡受到剧烈的冲击波的作用。
与其相关的内容可分别参见Blake ［3］、张阿
漫［4］、Klaseboer ［4］的研究成果。气泡射流速度高、力量大，造成舰船结构严重的局部损伤，相当于水锤对舰船局部强度的破坏（称为“气泡锤”）［22－25］。水下爆炸及其对舰船结构的毁伤特性如图1所示。
图1水下爆炸及其对舰船结构的毁伤特性
Fig.1Damage characteristics of ship structure subjected to underwater explosion load
水下爆炸阶段初始爆轰
冲击波传播
气泡脉动
脉动压力
滞后流
射流
毁伤特性
压力大、频率高，造成舰船局部强度毁伤
载荷大、频率低，造成舰船总纵强度毁伤
速度高、力量大，造成舰船局部
强度毁伤，称“气泡锤”
局部破坏冲击波
总体折断
人造波浪
局部凹坑气泡锤
随着现代兵器技术的不断变化和快速发展，作为海上作战平台的舰船面临着日益严峻的生存环境，各国海军对舰船在极端情况下的生命力要求越来越高，而鱼雷、水雷等兵器水下爆炸是舰船生命力的主要威胁之一。因此，舰船抗水下爆炸性能已成为世界上普遍关注的问题［26－36］，下面从应用研究和科学研究2个方面阐述水下爆炸对舰船结构的毁伤研究进展。
2应用研究进展
国内外通过开展海上实船爆炸实验，积累大
量数据、资料，通过严格的量纲分析，并结合有效的数值手段，得出舰船在作战条件下的抗水下爆炸能力，这是舰船抗爆抗冲击研究最可靠的方式［1，37－41］，但实船爆炸实验十分昂贵，且实施难度巨大。若采用水下爆炸缩尺比模型实验，则受到水下爆炸相似理论的限制［42－47］。缩比实验涉及到结构动力学、材料非线性以及水下爆炸载荷等相似问题，由于模型加工工艺、实验条件等因素的约束，即使模型与实船的缩尺比较小，也难以保证船体结构、材料以及载荷均完全满足相似准则。由于水下爆炸模型实验属于瞬态强非线性动力学相似问题，至今人们尚未找到相似规律，将模型实验的
结果推广到实船［45－47］，因此，模型实验很难准确评估与考核实船的抗爆抗冲击能力。局部板架水下爆炸实验虽可以节约成本，然而由于局部板架与实际船体结构在边界条件上存在很大差异，通过已有的数值计算结论和理论分析可知，局部板架在爆炸载荷下的响应与实船板架的响应差别较大。因此，局部板架实验结果难以评估与考核实船结构强度，用其评估实船的抗爆抗冲击能力精度较低。
以美国为代表的各海军强国为了确保海军装备安全，自20世纪50年代以来对首制舰均采取了实船爆炸考核，寻找其薄弱环节，以求改进，形成了专用软件［48－53］，但至今仍对我国禁运。另外，通过积累大量的实船爆炸实验数据，建立了实船实验数据库，并制定了舰船抗爆抗冲击设计标准［8，53］，如MIL－901D 、BV0430／85等。
我国开展舰船水下爆炸研究始于上世纪60年代，但直到80年代后期才开始得到相关部门的重视［6，8］。迄今为止，国内仅开展了几次大规模的海上实船爆炸实验，所取得的数据极其有限。尽管国内水下爆炸研究最近10年取得了许多值得肯定的成绩［36－45］，在某些方面甚至接近或处于世界先进行列，但就其整体水平而言，与发达国
2
第3期图2水下爆炸及其对舰船结构的毁伤特性
Fig.2Study status of application of underwater explosion
实船爆炸试验
实船爆炸试验较少
部分实船爆炸试验
标准不全，实用性差，关键参数需模型实验确定
专用软件USA
通用数值软件
我国
北约
美国
实船爆炸数据库
MIL 标准
BV 标准
尚无自主开发软件
家相比还存在较大的差距。首先，实验设施比较落后，像大中型的爆炸水池等实验设施在全国是屈指可数，无论是规模还是测试能力都比国外先进国家落后很多。其次，基础研究方面不够深入，有一定的重复研究现象。在数值仿真方面，自主开发的模拟水下爆炸的软件甚少，主要依赖进口商用软件，而现有通用软件中有关舰船抗爆抗冲
击数值仿真分析的核心模块禁止向我国出口，导致现有软件并不能解决舰船抗爆抗冲击基础性和机理性问题，而这些机理性问题恰恰直接关系到海军重点型号的研制与设计，这给舰船水下爆炸研究工作造成了极大的困难［6，8，16］。目前国内外关于水下爆炸应用的研究现状总结如图2所示。
张阿漫等：水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述
3科学研究进展
从舰船水下爆炸应用研究进展可知，国际上
开展了较多模型实验和实船水下爆炸实验，取得了较多可用于工程设计的研究成果［1，4－8］。但是，由于水下爆炸实验属于破坏性实验，目前开展的多属中远场水下爆炸实验，如实弹攻击舰船的近场或接触爆炸实验仍然很少，难以总结水下爆炸对舰船结构的毁伤规律并揭示其本质［53－54］。而且如近水面爆炸产生的水冢、近海底爆炸冲击波反射以及气泡的不稳定现象等均难以采用现在的工程实验技术精确测量，需通过机理性实验、理论分析与数值方法进行探索［55－58］。
根据水下爆炸的物理现象及其对水中结构的毁伤特性，将水下爆炸分为接触爆炸（近场或近边界爆炸）和非接触爆炸（包括中近场和远场爆炸）［59］。对于远场非接触爆炸，主要是冲击波与结构在弹性范围内相互作用。目前，运用二阶双渐近法（DAA2）［6，50］、声固耦合方法等［60－62］进行分析的有效性已达成共识，而且实践证明这些方法均有较好的精度。远场爆炸时，气泡对舰船的毁伤效应可以忽略，气泡的运动形态不受舰船的影响。
对于中近场爆炸，冲击波与船体结构相互作用产生片空化现象，出现气、液、固耦合效应［63－65］。目前主要的理论和方法包括：弹塑性理论及任意拉格朗日欧拉算法（ALE ）［52，66］、声固耦合理论及相应的求解方法［60－61］、流固耦合理论及二阶双渐近
法（DAA2）［6，50］等。现有的水下爆炸实验研究表明［1，53］，中近场气泡的毁伤威力不仅与装药有关，而且与作战环境（如装药距水面和海底的距离、海底特征等）以及目标特性（舰船本身的结构特性）有关。只有在一定的条件下，气泡的毁伤威力才能最大化［4］。但迄今为止，水下爆炸气泡对舰船结构的毁伤效能仍未被有效利用。
随着精确制导武器的快速发展，如鱼雷等武器可贴近船体表面爆炸，即接触爆炸。接触爆炸冲击压力可达GPa ，接触面出现流动、破碎［67－70］，与中远场爆炸在机理上存在着很大的差别，前者属于爆炸动力学范畴，后者属结构动力学范畴。但目前仍采用大变形的弹塑性理论，由ALE 算法［52，66］、
CEL 算法等。与鱼雷接触爆炸类似的物理现象还
有沉底水雷近海底爆炸，此时，水下爆炸气泡与边界相互作用，出现撕裂、不稳定、融合等特殊物理现象［62］。目前，研究人员大多采用绝热假设、流体有限元（FEM ）［25］、边界元理论（BEM ）［71－74］以及相应的求解方法。目前，水下爆炸及其对舰船结构的毁伤科学研究进展如图3所示。
4
存在的主要问题
4.1
近场\近边界水下爆炸载荷特性
接触爆炸［68］、近水面爆炸［72］以及沉底爆炸［63］
均属于近场或近边界爆炸。发生近水面爆炸时，水面对爆轰、冲击波的传播、气泡的形状，气泡射流
3
第6卷
中国舰船研究
图3水下爆炸及其对舰船结构的毁伤科学研究进展
Fig.3Development of studies on the damage to the ship structure subjected to underwater explosion
分类
冲击压力达十几GPa ，接触面流动、破碎，属冲击波物理范畴
气泡与边界相互作用，出现破裂、不稳定、融合等特殊物理现象
冲击波与结构相互作用产生片空化现象，出现气、液、固耦合效应
仍采用大变形的弹塑性理论，ALE 算法气泡运动与周围环境密切相关，不是孤立的
冲击波与结构在弹性范围内相互作用
接触爆炸（近场/近边界）
非接触爆炸（中近场）
非接触爆炸（远场）水下爆炸
物理现象
现有的理论与方法
仍采用绝热假设，流体有限元、边界元理论与求解方法
弹塑性理论，声固耦合法
绝热假设、势流理论，边界元方法
认识一致的双渐近法
等特征均造成严重影响。且近水面爆炸会出现水冢现象，气泡与水冢现象发生强烈的耦合作用，这类现象的发生与自由液面的剧烈变化密切相关，属强非线性、多处不连续边界问题［12］。发生近海底爆炸时，冲击波出现反射，气泡出现不稳定、撕裂、融合等物理现象，导致流体载荷呈间断、突变特性［63］，这些特殊物理现象需进一步深入研究。
由上述可知，边界爆炸具有瞬时、大变形以及撕裂等强非线性动力学特性，普通的有网格数值方法（BEM ，FEM ）在模拟该类问题时存在较大的局限性［25，72］。无网格光滑粒子法［12，73－77］（SPH ）在模拟爆轰、冲击波的传播以及撕裂等非连续问题具有很大的优势。
4.2水下接触爆炸对舰船结构的毁伤特性
而对于接触爆炸而言，产生的瞬态、强冲击载
荷可达到GPa ［67－70］，在这种载荷条件下，引起舰船结构的毁伤不同于中远场爆炸，材料能够承受的剪应力与它受到的外载荷相比已经很小，因而其剪应力（或强度）可以忽略不计，不计剪应力意味着材料可以当作流体处理。因此，直接遭受接触爆炸载荷作用的船体结构可以视为“固体”流体
［78］
，
此时基于结构动力学的流固耦合物面条件不再适用。鉴此，有必要探索新的方法，建立新的物面条件，解决接触爆炸的瞬态、强非线性问题。
4.3
水下中近场爆炸瞬态强非线性流固耦合方法
当爆炸物在水下爆炸时，爆轰过程在瞬间完
成，对于中近场水下爆炸，入射冲击波与舰船结构相互作用，产生反向加载拉伸波，出现局部或片空
化效应［64－66］，在物面存在气、液混合薄层，破坏了原有物面力平衡、质点运动连续条件。此外，水下爆炸还可能产生水面截断效应，海底反射效应等。这些非线性效应均对水下爆炸载荷及流固耦合效应造成严重影响。因此，为研究水下爆炸对舰船结构的毁伤，在考虑强非线性流固耦合特性的同时，还需计入片空化、水面截断、海底反射等因素。目前，声固耦合法［60，61］、双渐近法［6，50］均难以考虑上述非线性现象。
4.4
计及热量交换的水下爆炸气泡运动模型
以往人们在研究水下爆炸气泡动态特性时，
在绝热假设条件下，通过流体有限元或边界元求解气泡的动态特性。若气泡尺度较小，且气泡内部温度与周围介质相当的情况下，基于绝热假设的方法能较好地描述气泡的运动。但是，水下爆炸气泡属大尺度气泡，而且气泡内部初始温度达
3000~5000K ［1］，在气泡运动过程中与周围环境
存在大量的热交换，这时仍采用绝热假设描述气泡的运动，获得的结果与真实的水下爆炸气泡运动有较大的区别。因此，为真实地模拟水下爆炸气泡的动态特性，计及热量交换的水下爆炸气泡运动模型有待建立和完善。
4.5气泡运动对船体结构的毁伤规律
国内外海上实船爆炸实验和水池模型实验研
究已表明［2，39，41］，冲击波通常对舰船结构造成严重的局部毁伤，依靠冲击波摧毁舰船结构，使舰船完全丧失生命力，需多发武器命中舰船。但在一些特殊的实验状态，舰船结构在1次水下爆炸作用下
4
第3期
丧失总纵强度，从中横剖面处折断。根据这些特殊的现象，研究人员指出，导致舰船折断的载荷并非高频冲击波的作用，而是低频气泡脉动所致。人们在一些零碎的实验研究中发现了这些现象，并没有系统地研究。事实上，由于冲击波持续时间短，即使压力峰值量级高，也只是对舰船产生局部的大变形或毁伤，而气泡脉动载荷频率低，常和舰船的低级固有频率相近，因此容易诱导舰船产生鞭状运动，严重时甚至直接将舰船折断，摧毁其总纵强度［19－21］。另外，在特定的条件下，中近场的水下爆炸产生的高速射流也会对舰船产生巨大的局部毁伤。气泡只有在一定的条件下威力巨大，对舰船结构总纵强度造成一次性毁伤或严重的局部毁伤。而在一般情况下，气泡的威力未被利用，不会对舰船结构造成严重的毁伤。因此，只有当气泡毁伤效应可控时，才能发挥其巨大的毁伤效应。其本质原因在于气泡运动不是孤立的［71－74］，气泡运动对船体结构的毁伤与船体固有特性、海底、自由液面等环境参数密切相关。因此，深入研究气泡载荷作用下的舰船结构毁伤机理以及各环境参数对毁伤效果的影响有着重要的现实意义。
5总结
水下爆炸冲击波、气泡及其对舰船结构的毁伤特性是目前国际上研究的前沿和热点。纵观国内外，在舰船中远场水下爆炸、冲击波的传播特性、气泡的运动形态等方面取得了丰硕的研究成果，但在近场接触爆炸、非线性流固耦合特性、气泡不稳定性等方面尚需进一步深入研究。通过分析国内外研究进展，将水下爆炸对舰船结构损伤特征总结如下：
1）近边界爆炸呈现自由液面飞溅、物面撕裂等强非线性特征，气泡出现不稳定、破碎、融合等特殊物理现象，导致流体载荷呈间断、突变特性。
2）接触爆炸产生的瞬态强冲击载荷可达到GPa，在这种载荷条件下，固体材料承受剪应力的能力可以忽略，这时结构可以视为“固体”流体。
3）入射冲击波与结构相互作用，产生反向加载拉伸波，出现局部或片空化现象，在物面存在气、液混合薄层，破坏了原有物面力平衡、质点运动连续条件。
4）水下爆炸产生高温高压气泡，初始温度达3000~5000K，存在气体与流体之间的热量交换，具有强烈的热动力学特征。
5）水下爆炸气泡运动不是孤立的，气泡运动对船体结构的毁伤与船体固有特性、海底、自由液面等环境参数密切相关。
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张阿漫等：水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述
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《中国舰船研究》面向舰船类重大科研项目
专题征稿启事
为及时反映国家973、863、自然科学基金重大/重点项目等的研究进展，发布最新科研成果，推动舰船科技发展，《中国舰船研究》现面向国内舰船类研究的重大项目征集专题优秀稿件，来稿将优先审稿、优先刊登、免收版面费。投搞时请注明“重大专题征稿”，并附项目简介和保密审查表。
欢迎赐稿！
《中国舰船研究》编辑部
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燃烧与爆炸理论名词解释简答
闪燃：在一定温度下，可燃性液体蒸汽与空气混合后，达到一定浓度时，遇到火源产生的一闪即灭的燃烧现象，叫做闪燃。 着火：可燃物质在与空气并存条件下，遇到比其自燃点高的点火源时开始燃烧，并在点火源移开后仍能继续燃烧，这种持续燃烧(不小于5秒)的现象叫着火。自燃：可燃物在没有外部火花、火焰等点火源的作用下，因受热或自身发热并蓄热而发生的自然燃烧现象。 燃烧：燃烧是伴随着有发光、放热现象的剧烈的氧化反应。 阴燃：指在氧气不足、温度较低或湿度较大的条件下，固体物质发生的只冒烟而无火焰的燃烧。 氧指数：指在规定的试验条件下，试样在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧（即进行有焰燃烧，火焰能保持燃烧50mm长或燃烧时间3min）所需的最低氧气体积分数。 最大安全间隙：是衡量爆炸性物品传爆能力的性能参数，是指在规定试验条件下，两个间隙长为25mm连通的容器，一个容器内燃爆时不致引起另一个容器内燃爆的最大连通间隙。 静电消散半衰期：通常取带电体上静电电量泄漏到原来一半所需要的时间叫静电消散半衰期。 耐火极限：对任一建筑构件进行标准耐火试验，从受到火的作用时起，到构件失去稳定性或完整性或绝热性时止，这段抵抗火的作用时间称为耐火极限，一般以小时计。 动火分析。 答：防火防爆生产企业在使用明火的作业之前要对设备内部或作业现场的可燃气体浓度进行分析，以避免燃烧、爆炸事故的发生。动火分析不应早于动火作业之前半小时。对爆炸下限小于4%的可燃气体，其浓度低于0.2%方可进行动火作业；对爆炸下限大于4%的可燃气体，其浓度低于0.5%可进行动火作业。 简述火灾的危险性。 答：1、火灾的热辐射可造成烧伤； 2、火场中由于氧气含量降低而造成的窒息作用； 3、燃烧产生的有毒烟气造成的毒害作用； 4、建筑物倒塌造成的二次伤害等等。
水下光学探测发展综述
一、水下探测技术发展现状 光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3 部分组成：从目标反射回来并经水介质光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3 部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束；光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光；目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光。与大气成像技术相比，水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对水下通信、成像、目标探测所造成的影响。目前主要有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果，它们的工作原理和技术特点如下所述。 1 同步扫描成像 同步扫描技术是扫描光束(连续激光)和接收视线的同步，利用的是水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收。如图1，激光扫描装置器使用窄光束的连续激光器, 同时使用窄视场角的接收器, 探测器与激光扫描装置分开放置，这样使得被照明水体和接收器视场的交迭区域尽量减少, 从而让后向散射光尽量少地进入接收器中,再利用同步扫描技术, 逐个像素点探测来重建图像，有效地提高成像的信噪比和作用距离。 美国Westinghouse 公司为美国海军生产的一种机械同步扫描SM2000 型水下激光成像系统, 其成像距离是普通水下摄像机的3 ～5 倍，有效视场可达70°，在30m 作用距离上可分辨25mm
量级的图像。该系统的有效视场大约为距离选通技术的5 倍, 成像质量(即分辨率)也比距离选通好。 图1： 2、距离选通技术 距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。如图2，采用脉冲激光源照明目标，接收端使用距离选通门，在照射的短脉宽激光的光从目标返回前，相机快门一直关闭，信号光抵达时，快门才打开，这样使得接收器几乎同时接收到整个视场内所有景物的反射光。在该系统中, 非常短的激光脉冲照射目标物体，照相机快门打开的时间相对于照射目标的激光发射时间有一定的延迟, 并且快门打开的时间很短, 在这段时间内, 探测器接收从目标返回的光束, 从而排除了大部分的后向散射光。 此种方法对解决由海水中的悬浮颗粒引起的后向散射问题很有力。系统的距离分辨率由激光脉冲宽度和探测器选通门宽度决定，宽
水下爆炸特征分析
水下爆炸特征分析 6.4.1水下爆炸试验特征分析 6.4.1.1水下爆炸试验背景 水下爆炸试验工程是指以确保完成水下爆炸试验任务为根本目的，为发展水下爆炸试验技术、具备水下爆炸试验能力而进行的科学技术研究活动。水下爆炸试验工程不能等同于实船爆炸试验任务。实船爆炸试验是水下爆炸试验工程的中心内容，也是检验水下爆炸工程的唯一标准，而水下爆炸工程既包含了实船爆炸试验，也包含了与实船爆炸试验相关的其他许多科学技术活动。水下爆炸试验工程是研究为达到不同试验目的的最佳试验方式，研究冲击响应测量的理论、技术和方法，研究兵器和舰艇在水下爆炸作用下的仿真与评估理论、技术和方法，研究涉及多单位、多学科且周期长、耗资大的试验工程理论、方法和技术。 6.4.1.2水下爆炸试验工程系统 水下爆炸试验工程是一项系统工程，它包含了许多子系统，这些子系统间既相互联系又相互制约。为了从总体上把握系统间互相联系、互相制约的要素及变化，首先应该研究该系统的结构和相互关系，充分利用和挖掘系统潜力，才能更好地完成水下爆炸试验。
6.4.1.2.1统结构及其相互关系 水下爆炸试验工程系统是一个集中控制的多层次结构，如下图所示。每个子系统又由若于更低层次的子系统组成，以此类推。一个子系统的功能是由其所属的下级子系统的功能共同实现的。这里所说“共同实现"的关系，可能是互相独立的“并联" 关系，也可能是互相依赖的“串联"关系。例如舰船冲击响应测量包括加速度测量、应变测量、速度测量等子系统，各子系统是“并联"关系，而组成每一参数测量子系统的传感器、信号调理模块和数据处理模块则为串联关系。 图4-1 海上爆炸试验工程系统功能结构 6.4.1.2.2系统功能结构关系 水下爆炸试验工程系统功能结构见图4-1。它是一个集科学、技术、工程为一体的系统。所谓系统功能结构是从技术层次上分析研究进行爆炸试验所必需的结构。从功能上说每个子系统至少完成一个确定的技术目标。由于每次爆炸试验的目的、规模、要求、试验方式各不相同，各级子系统与其所属下级子系统所需的
基于ABAQUS软件的舰船水下爆炸研究
万方数据
?３８?哈尔滨工程大学学报第２７卷 限元动力分析软件（例如ＡＢＡＱＵＳ、ＬＳ—ＤＹＮＡ、ＭｓＣ／ＤＹＴ础Ｎ等），这使得有限元仿真成为计算舰船冲击响应的切实可行的办法．ＬＳ—ＤＹＮＡ和ＤＹＴ砘气Ｎ在分析舰船水下爆炸过程中均采用√蛆点算法，而ＡＢＡＱＵＳ采用声固耦合方法．ｍ正算法用状态方程描述流体和炸药，通过欧拉单元计算冲击波的传播过程；而声固耦合算法采用一种声学介质来描述流体，冲击波在声学单元中传播．国内用ＡＩ点算法研究水下爆炸的文献比较多［１ｑＪ，文中采用声固耦合方法模拟舰船水下爆炸． １水下爆炸特点 首先简单的介绍一下水下爆炸气泡的形成，水下爆炸一般呈现２个阶段，冲击波阶段和气泡脉动阶段［４］．在冲击波阶段，冲击波波头具有突跃的特点，幅值迅速达到最大，突越后紧接着近似于按指数规律衰减，衰减持续时间不超过数毫秒；当冲击波过后，水下爆炸进入气泡脉动阶段，爆炸的气体生成物（气泡）由于惯性的作用，以逐渐衰减的速度继续膨胀，气泡内压力不断减少直到小于环境压力．当气泡半径达到最大时，此时气泡内部压力最小，气泡开始收缩．由于此时环境比气泡内部压力大得多，气泡半径迅速缩至最小，随后气泡又开始膨胀，向外流场辐射二次压力波．在气泡半径第二次达到最大时，气泡又开始收缩．同样的膨胀收缩重复好几次．在气泡脉动期间，由于浮力的作用下气泡不断往上升，当气泡到达自由表面时气泡破灭，形成水冢．在冲击波阶段，水下爆炸容易造成舰船结构局部板的严重破损；在气泡脉动阶段，水下爆炸容易使船体产生振荡，从而造成严重的总体结构破损．并且，气泡脉动的周期、最大半径与药包的爆心和装药量有一定的关系． ２爆炸载荷作用下舰船的总体响应文中以某Ｉ型水面舰船为例分析舰船在爆炸载荷（包括冲击波载荷和气泡脉动载荷）作用下舰船的响应．计算的坐标系统为：原点为中纵剖面、中横剖面和基线的交点，ｚ轴正向指向船首方向，Ｙ轴正向指向左舷方向，ｚ轴正向为铅直向上，其有限元模型如图１所示． 鉴于仿真计算的实船模型节点个数达到了数十万个，要想将气泡作用的响应现象计算出来，至少在时间步上设置为１Ｓ，这样的计算量是极其巨大的，在目前的硬件条件下难以实现．于是将船体简化为一个箱形梁，内部设３层甲板，３个纵壁，３个横壁，通过调节各板厚，根据结构动力学相似原理，使得该箱形梁一阶垂向总振动频率与实船保持一致，均为１．１ＦＩｚ．所建立的箱型梁有限元模型如图２所示． 图１Ｉ型舰实船有限元模型 Ｆｉｇ．１Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ 图２箱型梁有限兀模型 Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ ２．１水下爆炸威力与气泡脉动频率之间的关系众所周知，当激励力频率与结构的固有频率接近时，就会引起结构共振，此时结构的破坏最为严重．通过公式Ｔ：２．１１罢芸ｂ３（ｗ为药包的装药量，ｋｇ；Ｚ。为药包与自由液面的垂直距离）可以估算出炸药爆炸后形成的气泡脉动周期．为了研究不同药包在不同水深爆炸时形成气泡脉动载荷对船体总纵强度的影响，假设一系列工况，药包均设置在船体的中下方，以考核该舰中横剖面的应力变化．定义： 口＝了Ｊ０，（１１ Ｊ１ 卢＝丁．Ｄ１，（２） ∑ｓｉ ｓｍ２｝?（３）式中：＾为气泡脉动压力的频率，＾舰船一阶垂向 固有频率，ｓ，为仅冲击波载荷作用下舰船中横剖面 万方数据
水下爆炸冲击波的传播特性试验研究
水下爆炸冲击波的传播特性试验研究 水下爆炸对构筑物的破坏主要表现为冲击波和气泡脉动效应。一般而言,气泡脉动通常起附加破坏作用,而冲击波起决定性作用。水下爆炸冲击波的传播规律及其动力效应是水利水电工程、航运工程和爆破工程等领域关注的一个重要问题,直接关系到水下设施的安全和容器状构筑物爆破拆除参数的合理选取,因而具有重要的工程价值和理论意义。本文以水下爆炸冲击波效应为研究契机,在有限的钢板水箱水域内开展了水冲击波试验研究。 首先,通过现场试爆及其现象分析,得出了药包布置原则；其次,利用高速摄影技术再现了水下爆炸冲击波波阵面的动态传播过程,并得出波阵面传播速度及其传播规律；根据水冲击波波阵面传播速度,得出不同距离处的峰值压力,并对水冲击波峰值压力、传播距离及药量关系进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波压力计算经验公式。最后,选取水压爆破拆除工程实例,对试验结果进行验证,说明了药包布置原则的合理性、实用性。主要得出以下结论：(1)利用高速摄影技术来观测水下爆炸冲击波的传播过程及测试其峰值压力是切实可行的；(2)试验条件一定,水下爆炸冲击波波阵面传播速度从零急剧上升到某一值,随后以波动形式迅速衰减,最终趋向于某一稳定值；(3)相同试验条件下,药量越大,水冲击波波阵面传播速度上升及衰减越快,且二次波峰值压力越大：(4)根据冲击波波阵面水动力学量之间的关系,得出水下爆炸冲击波波阵面传播速度所对应的峰值压力,并对其峰值压力、传播距离及药量进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波峰值压力计算经验公式,即当比例半径r/r0>5.649 时,Pm=105.472(Q1/3/R)1.65；(5)在水压爆破工程中,对于开口式容器状构筑物,为提高炸药能量利用率,降低其能量损耗,则要求药包的入水深度h至少要大于容器内壁到爆心的距离R,即h>R；(6)药包布置位置要尽可能使冲击波波阵面同一时刻达到容器状构筑物侧壁,使容器状构筑物受力均匀为原则；(7)为减少自由水面卸载所造成的能量损失,条件适合时可在开口式容器状构筑物中注满水并对顶部做封闭措施。
流体力学简答题
第一章 1.在连续介质的概念中，何为质点？ 流体质点是指体积小的可以看作一个几何点，但它又包含有大量的分子，且具有诸如速度、密度及压强等物理量的流体微团。 2.什么是理想流体？正压流体？ 当流体物质的粘度较小，同时期内部运动的相对速度也不大，所产生的粘性应力比起其他类型的力来说可以忽略不计时，可把流体近似看作是无粘性的，这样无粘性的流体称为理想流体。内部任一点的压力只是密度的函数的流体，称为正压流体。 3.什么是不可压缩流体？ 流体的体积或密度的相对变化量很小时，一般可以看成是不可压缩的，这种流体就被称为不可压缩流体。 4.什么是定常场；均匀场。 如果一个场不随空间的变化而变化，即场中不显含空间坐标变量r ，则这个场就被称为均匀场。如果一个场不随时间的变化而变化，则这个场就被称为定常场。 5.简述迹线的定义并用张量下标的形式标的。 迹线时流体质点在空间运动过程中描绘出来的曲线。张量下表形式为()t x u dx i i ,dt i = 6.概述流线的定义及与迹线的不同。 流线是流场中的一条曲线，曲线上每一点的速度矢量方向和曲线在该点的切线方向相同。 与迹线的不同，流线在同一时刻和不同流体质点的速度矢量相切。 7.脉线的定义，在定常流动与非定常流动中迹线、流线、脉线分别怎样。 脉线是把相继经过流场中同一空间点的流体质点在某瞬时顺序连接起来得到的一条线。在非定常流动中，迹线、流线、脉线一般来说是不相重合的。但在定常流动中迹线、流线、脉线三线合而为一。 8.叙述有旋流动和无旋流动的定义，依据什么划分的。 若在整个流场中处处0=? ?μ，则称此流动为无旋流动，否则称有旋流动。划分依据为 涡量是否为零。
流体力学简答题
第一章 1、在连续介质的概念中,何为质点？ 流体质点就是指体积小的可以瞧作一个几何点,但它又包含有大量的分子,且具有诸如速度、密度及压强等物理量的流体微团。 2、什么就是理想流体？正压流体？ 当流体物质的粘度较小,同时期内部运动的相对速度也不大,所产生的粘性应力比起其她类型的力来说可以忽略不计时,可把流体近似瞧作就是无粘性的,这样无粘性的流体称为理想流体。内部任一点的压力只就是密度的函数的流体,称为正压流体。 3、什么就是不可压缩流体？ 流体的体积或密度的相对变化量很小时,一般可以瞧成就是不可压缩的,这种流体就被称为不可压缩流体。 4、什么就是定常场;均匀场。 如果一个场不随空间的变化而变化,即场中不显含空间坐标变量r,则这个场就被称为均匀场。如果一个场不随时间的变化而变化,则这个场就被称为定常场。 5、简述迹线的定义并用张量下标的形式标的。 迹线时流体质点在空间运动过程中描绘出来的曲线。张量下表形式为()t x u dx i i ,dt i = 6、概述流线的定义及与迹线的不同。 流线就是流场中的一条曲线,曲线上每一点的速度矢量方向与曲线在该点的切线方向相同。 与迹线的不同,流线在同一时刻与不同流体质点的速度矢量相切。 7、脉线的定义,在定常流动与非定常流动中迹线、流线、脉线分别怎样。 脉线就是把相继经过流场中同一空间点的流体质点在某瞬时顺序连接起来得到的一条线。在非定常流动中,迹线、流线、脉线一般来说就是不相重合的。但在定常流动中迹线、流线、脉线三线合而为一。 8、叙述有旋流动与无旋流动的定义,依据什么划分的。 若在整个流场中处处0=? ?μ,则称此流动为无旋流动,否则称有旋流动。划分依据为涡 量就是否为零。
水下光通信-综述
水下光通信-综述
水下光通信 综述 一、水下光通信的国内外研究现状 光通信起源最早可追溯到19 世纪70 年代,当时Alexander Graham Bell 提出采用可见光为媒介进行通信,但是当时既不能产生一个有用的光载波,也不能将光从一个地方传到另外一个地方。因此直到1960 年激光器的发明,光通信才有了突破性的发展，但研究领域基本上集中在光纤通信和不可见光无线通信领域。由于海水对光的强吸收特性，水下光通信技术一直没有得到重视。直到1963 年,Dimtley 等人在研究光波在海洋中的传播特性时, 发现海水在450- 550 纳米波段内蓝绿光的衰减比其它光波段的衰减要小很多, 证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。这一物理现象的发现为解决长期水下目标探测、通 信等难题提供了基础。 水下光学通信技术研究前期主要集中在军
事领域，长期以来一直是水下潜艇通信中的关键技术。美国海军从1977 年提出卫星与潜艇间通信的可行性后, 就与美国国防研究远景规划局开始执行联合战略激光通信计划。从1980 年起, 以几乎每两年一次的频率, 进行了迄今为止共6 次海上大型蓝绿激光对潜通信试验, 这些试验包括成功进行的12 千米高空对水下300 米深海的潜艇的单工激光通信试验, 以及在更高的天空、长续航时间的模拟无人驾驶飞机与以正常下潜深度和航速航行的潜艇间的双工激光通信可行性试验, 证实了蓝绿激光通信能在天气不正常、大暴雨、海水浑浊等恶劣条件下正常进行。1983 年底, 前苏联在黑海舰队的主要基地塞瓦斯托波尔附近也进行了把蓝色激光束发送到空间轨道反射镜后再转发到水下弹道潜艇的激光通信试验。 澳大利亚国立大学信息科学与工程研究学院的研究小组开发了一种低成本、小体积、结构简单的光学通信系统，选用LuxeonⅢLED 的蓝（460nm）、青（490nm）、绿(520nm)光，接收器电路采用对蓝青绿三种光灵敏度很高的SLD—70BG2A 光电二极管，这套系统在兼顾速
水下爆破知识总结
水下爆破 一、专有名词基本概念 （1）爆炸：广义地讲，爆炸是指一物质系统在发生迅速的物理和化学变化时，系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为对周围介质做机械功，同时伴随有剧烈的放热、发光和声响等效应。广义的爆炸过程包括爆轰和爆燃。爆炸是一种常见的现象，分析各种爆炸现象，大致可以将其归纳为三大类。 ①物理爆炸：仅仅是物质形态发生变化，而化学成份和性质没有改变的爆 炸现象，称为物理爆炸。最常见有自行车轮胎爆炸、锅炉爆炸等现象。 ②化学爆炸：由物质化学结构发生急剧变化而引起的爆炸现象，称为化学 爆炸。炸药的爆炸就是属于化学爆炸现象。在工程爆破中，广泛应用的 是化学爆炸，而且主要是利用其破坏作用。 ③核子爆炸：由于核裂变，或核聚变反应放出巨大的能量，使裂变或聚变 产物形成高温高压的蒸汽而迅速膨胀作功，造成巨大的破坏作用。这种 由核裂变或核聚变释放出巨大的能量所引起的爆炸现象，称为核爆炸。 （2）爆轰：物质的势能或内能在极短的时间内转变成冲击波能、热辐射能、光能和声能，并在爆炸中心形成高温、高压、高能量密度气体产物区，且气体产物迅速膨胀，能对周围介质和物体产生剧烈的破坏作用的现象。 （3）爆破：利用炸药爆炸时所产生的冲击波及气体膨胀力来破坏物体，以破坏的形式达到新的建设目的一种方式。 （4）炸药：一种能把它所集中的能量在外部激发能作用下能瞬间释放出来的物质。炸药的能量，主要是由其中所含的碳、氢等可燃物与助燃物质氧相化合而产生的。为了产生集中能，炸药的状态必须是液体或固体。 （5）火药：也称低级炸药，只发生燃烧，而不发生爆轰（可以简单称为爆炸）。 （6）猛炸药：也称高级炸药，这类炸药具有相当大的稳定性。也就是说，它们比较钝感，需要有较大的能量才能引起爆炸。常用的有梯恩梯、黑索金、太安及其它军用混合炸药。乳化炸药属于民用猛炸药。 （7）冲击波：是指在介质中以比音速还要快的速度传播的波。冲击波在气体、液体、固体中都存在。冲击波通常是纵波（疏密波）。炸药爆炸时产生冲击波。
燃烧与爆炸理论及分析
目录 燃烧与爆炸理论及分析 (2) 1. 引言 (2) 2. 可燃物的种类及热特性 (2) 2.1 可燃物的种类 (2) 2.2可燃物的热特性 (3) 3. 燃烧理论 (6) 3.1 燃烧的条件 (6) 3.2 着火形式 (6) 3.3 着火理论 (7) 3.4灭火分析 (14) 4. 爆炸理论 (18) 4.1 爆炸种类及影响 (18) 4.2 化学爆炸的条件 (21) 4.3 防控技术 (23) 5. 结论 (24) 1
燃烧与爆炸理论及分析 摘要：本文主要叙述了当前主要的燃烧及爆炸理论。首先介绍了燃烧条件、着火形式以及具体的燃烧理论，然后对四种燃烧理论分别进行了灭火分析。然后阐述了爆炸的种类、爆炸条件过程及防控技术。最后对本文的内容作了总结，并且通过分析提出自己的观点。 关键词：燃烧理论；爆炸理论；防控技术。 1. 引言 火灾是一种特殊形式的燃烧现象。爆炸（化学）是一种快速的燃烧，为了科学合理地预防控制火灾及爆炸（化学），应当对燃烧的基本理论有一定的了解。燃烧是可燃物与氧化剂之间发生的剧烈的化学反应，要使它们发生化学反应需要提供一定的外加能量，反应的结果则会放出大量的热能。燃烧前后的物质与能量变化可以要据物质与能量守恒定律确定。 2. 可燃物的种类及热特性 2.1 可燃物的种类 可燃物是多种多样的。按照形态，可分为气态、液态和固态可燃物，氢气(H2)、一氧化碳(CO)等为常见的可燃气体，汽油、酒精等为常见的可燃液体，煤、高分子聚合物等为常见的可燃固体。可燃物之所以能够燃烧是因为它包含有一定的可燃元素。主要是碳(C)、氢(H)、硫(S)、磷(P)等。碳是大多数可燃物的主要可燃成分，它的多少基本上决定了可燃物发热量的大小。碳的发热量为 3.35×107J/kg，氢的发热量为1.42×108J/kg，是碳的4 倍多。了解可燃元素及由其构成的各类可燃化合物的燃烧特性可定量计算燃烧过程中的物质转换和能量转换。有些元素发生燃烧后可以生成完全燃烧产物，也可生成不完全燃烧产物，不完全 2
南京工业大学 燃烧与爆炸理论 试题1
南京工业大学燃烧与爆炸理论试题（B）卷（闭）
2009--2010 学年第 1 学期班级
题号得分一二三四
使用班级
安全工程0601、0602 姓名
总分
学号
一、填空题（共30 个空，每空1 分，共30 分）
1. 加压气体和/或液体由泄漏口释放到非受限空间（自由空间）并立即被点燃，就会形成火灾。、放出大量的热和、和残余灰/炭区三部分。。。
2. 化学爆炸三要素分别是3. 阴燃的结构包括 4. BLEVE 是指
5. 爆炸属于一种特殊的燃烧形式，但爆炸又不同于燃烧，其主要区别在于爆炸的远远大于燃烧。6. 根据燃烧过程的不同可以把可燃固体的燃烧分为表面燃烧、燃烧和四种。的热自燃过程。和两种类型。燃烧、分解
7. 谢苗诺夫热自燃理论适用于解释8. 火焰在预混气中的传播形式分为
9. 在经审查批准可以在禁火区动火后，动火前必须进行动火分析，一般不要早于动火前浓度小于分钟。化工企业的动火标准是，爆炸下限小于4%的，动火地点可燃物为合格，爆炸下限大于4%的，则现场可燃物含量小于为合格。
10. 固体材料之所以能够发生阴燃，主要是这种物质在受热分解后能够形成，它可以积蓄热量，使燃烧持续下去。11. 在爆炸性物质的处理过程中，如果其中含有微小气泡时，有可能会受到导致意想不到的爆炸事故。12. 灭火剂要具有的导热系数和的热容的原因。原理设计的。
13. 隔爆型防爆电气设备是根据
14. 物质温度虽已达到理论上的自燃点，但并不立即着火，而要经过若干时间才会出
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现火焰，这段时间称为
。
15. 根据爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范的有关规定，爆炸性物质按它们的物态共分为三大类，分别是Ⅰ类：矿井甲烷；Ⅱ类：工厂爆炸性气体、蒸气和薄雾；Ⅲ类：。
16. 可燃性图表中的可燃性区域与氧气轴的交点所对应的燃料气的浓度代表分别是、化学剂量浓度线和。可燃性图表中三条很重要的直线的。。是不适
17. 衡量爆炸强度强弱的指标是
18. 真空惰化对容器来说是最普通的惰化过程，但这一过程对于用的。19. 容器体积对爆炸的20. “三次方定律”的作用是没有影响，但对
影响很大。
。
二、简答题（每题5 分，共25 分）
1. 什么是燃烧的链锁反应理论？并以氢气在氯气中的燃烧为例进行说明。
2. 简述火焰传播的热理论和扩散理论。 3. 简述原油沸溢形成必须具备的条件。
4. 简述粉尘爆炸的影响因素。 5. 生产过程中易于形成高静电电位的单元操作有哪些？
三、分析题（15 分）
1．在进行闪点测量时，试分析哪些因素会影响到实验的测量结果？
四、计算题（每题15 分，共30 分）
1. 某混合物中各组分所占体积百分比以及燃烧极限如下表，试判断如果存在引燃源，该混合气能否爆炸？
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表1 混合气体的组成及其燃烧极限物质乙烷甲烷乙烯空气体积百分比，% 0.8 2.0 0.5 96.7 LFL，% 1.1 5.0 2.7 UFL，% 7.5 16 36.0
2. 使用真空惰化技术将100m3 容器内的氧气浓度降低至1ppm。计算需要惰化的次数和所需要的氮气数量。温度为25℃，容器刚开始是在周围环境条件下充入空气，使用真空泵达到20mmHg 的绝对压力，随后真空被纯氮气消除，直到压力恢复至 1 个绝对大气压。
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流体力学简答题
第一章 1.在连续介质的概念中，何为质点 流体质点是指体积小的可以看作一个几何点，但它又包含有大量的分子，且具有诸如速度、密度及压强等物理量的流体微团。 2.什么是理想流体正压流体 当流体物质的粘度较小，同时期内部运动的相对速度也不大，所产生的粘性应力比起其他类型的力来说可以忽略不计时，可把流体近似看作是无粘性的，这样无粘性的流体称为理想流体。内部任一点的压力只是密度的函数的流体，称为正压流体。 3.什么是不可压缩流体 流体的体积或密度的相对变化量很小时，一般可以看成是不可压缩的，这种流体就被称为不可压缩流体。 4.什么是定常场；均匀场。 如果一个场不随空间的变化而变化，即场中不显含空间坐标变量r ，则这个场就被称为均匀场。如果一个场不随时间的变化而变化，则这个场就被称为定常场。 5.简述迹线的定义并用张量下标的形式标的。 迹线时流体质点在空间运动过程中描绘出来的曲线。张量下表形式为()t x u dx i i ,dt i = 6.概述流线的定义及与迹线的不同。 流线是流场中的一条曲线，曲线上每一点的速度矢量方向和曲线在该点的切线方向相同。 与迹线的不同，流线在同一时刻和不同流体质点的速度矢量相切。 7.脉线的定义，在定常流动与非定常流动中迹线、流线、脉线分别怎样。 脉线是把相继经过流场中同一空间点的流体质点在某瞬时顺序连接起来得到的一条线。在非定常流动中，迹线、流线、脉线一般来说是不相重合的。但在定常流动中迹线、流线、脉线三线合而为一。 8.叙述有旋流动和无旋流动的定义，依据什么划分的。 若在整个流场中处处0=? ?μ，则称此流动为无旋流动，否则称有旋流动。划分依据为 涡量是否为零。
海洋光学综述
海洋光学综述 海洋光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律和运用光学技术探测海洋的科学。它是海洋物理学的分支学科，又是光学的分支学科。 光电子学方法是海洋光学测量的主要手段，基础研究中包括实验和理论两方面。实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。 一、发展简史 早在19世纪初，就有人用透明度盘目测自然光在海中的铅直衰减。从19世纪末开始，海洋学家才比较注意研究海洋的光学性质，并结合海洋初级生产力的研究，用光电方法测量海洋的辐照度。 到了20世纪30年代，瑞典等国的科学家设计制造了测定海水的线性衰减系数、体积散射系数和光辐射场分布的海洋光学仪器，进行了一系列现场测量。从第二次世界大战后到60年代中期，是海洋光学的发展时期： 1947～1948年，瑞典科学家在环球深海调查中（“信天翁”号），首次将海洋光学调查列入重要的海洋调查计划，测量了辐照度、衰减和散射等； 1950～1952年，丹麦人在环球深海调查中，致力研究了
重要海区的初级生产力和光辐照之间的关系； 1957～1958年，在国际地球物理年(IGY)的调查中，测量了北大西洋的水文要素和光学参数，并研究其相互的关系。 美国、苏联、法国等国，相继建立了实验基地，详尽研究了海水固有光学性质和海洋表观光学性质之间的关系；美国R.W.普赖森多费尔提出了比较系统的海洋光学理论，发展了海洋辐射传递理论；一些学者对水中能见度理论、海洋光学测量模型、光辐射场与海水固有光学性质之间的关系，进行了比较系统的研究。 60年代中期以后，随着近代光学、激光、计算机科学、光学遥感和海洋科学的发展，海洋光学得到了进一步的发展，特别是结合信息传递的要求，用蒙特卡罗方法较好地解决了激光在水中的传输、海面向上光辐射与海水固有光学性质之间的关系等问题，使海洋光学从传统的唯象研究转入物理的和技术的研究。 二、研究内容 （一）基础研究 包括实验和理论两方面。实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。可见光波段是能透入海中的电磁波的主要波段，其传播规律决定于海洋水体的散射和吸收等性质。各海区的光学性质和海洋水体的组分密
燃烧与爆炸理论复习大纲及复习题
《燃烧与爆炸理论》教学大纲 英文名称：Combustion & Explosion Theory 适用专业：安全工程专业 先修课程：热工学 教学目的： 通过课程学习，系统深入地掌握燃烧与爆炸基础理论，把握本专业领域的最新成果和研究动向，使学生获得必需的专业技能锻炼，使有关的专业技术知识得以充实与提高。 教学要求： （1）掌握燃烧与爆炸的基础理论； （2）掌握燃烧三角形、燃烧四面体以及化学爆炸三要素； （3）掌握不同燃烧和爆炸形式的特征及其影响因素； （4）掌握计算液体闪点、可燃气体爆炸极限、爆炸温度和爆炸压力的计算方法； （5）掌握并运用可燃性图表进行工程分析。 教学内容： 第一章绪论 1．化工生产的特点 2．事故的分类及特征 3．事故致因理论 4．事故的预防 基本要求： 掌握事故的特征，海因里希因果链锁理论以及预防事故的技术措施；熟悉化工生产的特点、轨迹交叉论及能量转移论；了解安全工程研究内容及发展方向及事故预防的“3E”措施。 重点： 事故的特征、海因里希因果链锁理论及预防事故的技术措施。 第二章燃烧基本理论 1．火三角及燃烧条件 2．燃烧的形式及种类 3．燃烧极限的计算 4．热自燃理论 5．燃烧机理 6．可燃气体的燃烧 7．可燃液体的燃烧
8．可燃固体的燃烧 基本要求： 掌握燃烧发生的条件及燃烧机理，燃烧形式及燃烧过程，气、液、固燃烧特点及基本理论；掌握燃烧极限的计算方法和可燃性图表的使用；熟悉燃烧的过程及种类；熟悉热自燃理论。 重点： 燃烧三角形、燃烧四面体、燃烧条件及燃烧机理。 火焰在预混气中的传播形式及特点、火焰传播的热理论及扩散理论、重质油品的沸溢及喷溅、阴燃结构及发生条件。 燃烧极限的计算。 难点： 热自燃理论。 第三章爆炸基本理论 1．爆炸及其分类 2．爆轰 3．粉尘爆炸 4．喷雾爆炸 5．蒸气云爆炸 6．沸腾液体扩展蒸气爆炸 7．爆炸温度与压力 8．爆炸强度 基本要求： 掌握各种爆炸形式发生的条件、发生机理及影响因素；掌握爆炸温度和压力的计算方法；熟悉燃烧与爆炸的区别；了解爆炸的定义及其分类，了解爆轰的形成过程。 重点： 各种爆炸形式发生的条件、发生机理及影响因素。 爆轰波与普通冲击波的区别。 燃烧与爆炸的区别。 爆炸温度和爆炸压力的计算。 难点： 爆轰的形成过程以及爆轰波与普通冲击波的区别。 BLEVE的发生机理。 第四章防火防爆技术 1．静电的预防 2．火灾及爆炸蔓延的控制 基本要求： 掌握静电引起火灾爆炸必须具备的条件；熟悉静电的危害、预防措施以及静电积聚的影响因素；了解静电的产生。
水下爆炸冲击问题的物质点法研究
水下爆炸冲击问题的物质点法研究 开展水下爆炸以及结构在水下爆炸载荷作用下的动力响应研究在军事国防 和民用建设领域均具有重要意义。水下爆炸及其结构的冲击响应研究是十分复杂的问题，它涉及爆轰物理学、冲击动力学、流固耦合、弹塑性动力学等诸多学科，对其进行理论分析和实验研究是一个巨大的挑战。近年来，随着计算机技术的不断提高以及各种数值方法的迅速发展，数值模拟已经成为水下爆炸问题研究领域中的重要研究手段。流场或结构的极大变形、运动物质交界面、多相介质耦合作用以及自由表面等特性存在于水下爆炸整个过程中，这使得采用传统基于网格的数值方法对水下爆炸问题进行研究成为一项非常困难的工作。 物质点法（Material Point Method, MPM）是一种新型的无网格粒子算法，它结合了基于物质描述的拉格朗日方法和基于空间描述的欧拉方法二者的优点，在处理大变形时不存在基于网格的数值方法出现的网格畸变问题，而且物质点法能方便的跟踪材料的变形历史以及实现对物质界面的精确描述，这些优点使物质点法在冲击动力学诸多领域中得到了广泛应用。本文在前人研究的基础上，进一步发展了物质点算法，并将物质点法扩展到水下爆炸冲击研究领域中。推导了物质点法控制方程的空间以及时间离散格式，给出了物质点法显式积分算法，编写了基于物质点法基本理论的计算程序。建立了高能炸药爆轰计算模型，采用物质点法数值模拟了高能炸药爆轰过程，计算得到的爆轰波主要表征参数与解析解和实验数据吻合较好，为下一步水下爆炸冲击问题研究奠定了基础。 针对水下爆炸冲击波在自由场中传播具有球面对称性质这一特点，本文提出了球对称形式的物质点法，为了验证所提方法的准确性，对球形炸药水下爆炸问题进行了数值计算，计算结果与实验数据以及经验公式计算结果吻合较好。在此基础上提出了基于物质点法的重映射算法，采用此方法可有效提高三维水下爆炸问题的求解效率。建立了二维水下爆炸计算模型，数值模拟了二维水下爆炸问题，数值计算结果与光滑粒子流体动力学方法（Smoothed ParticleHydronamics, SPH）计算结果以及经验公式计算结果进行了比较，结果吻合较好，物质点法与SPH 算法计算精度相当，但在物质交界面的处理上物质点法具有明显的优势。对近自由面水下爆炸一系列物理现象进行了数值模拟。 给出了物质点法多介质耦合求解过程，研究了自由表面对冲击波的切断现象，
09流体力学习题1及参考答案
09流体力学习题1及参考答案 一、单项选择题（共15分， 每小题１分） 1、下列各力中，属于质量力的是（ ）。 A ．离心力 B ．摩擦力 C ．压力 D ．表面张力 2、下列关于流体粘性的说法中，不准确的说法是（ ）。 A ．粘性是实际流体的固有属性 B ．构成流体粘性的因素是流体分子间的吸引力 C ．流体粘性具有传递运动和阻碍运动的双重性 D ．动力粘度与密度之比称为运动粘度 3、在流体研究的欧拉法中，流体质点的加速度由当地加速度和迁移加速度组成，当地加速度反映（ ）。 A ．流体的压缩性 B ．由于流体质点运动改变了空间位置而引起的速度变化率 C ．流体速度场的不稳定性 D ．流体速度场的不均匀性 4、重力场中流体的平衡微分方程为（ ）。 A ． gdz dp -= B ．gdz dp ρ= C ．dz dp ρ-= D ．gdz dp ρ-= 5、无旋流动是指（ ）的流动。 A ．速度环量为零 B ．迹线是直线 C ．流线是直线 D ．速度环量不为零 6、压强的量纲 []p 是（ ）。 A . []2-MLt B . []21--t ML C . []11--t ML D . []1-MLt 7、已知不可压缩流体的流速场为 则流动不属于（ ）。 A ．非均匀流 B ．非稳定流动 C ．稳定流动 D ．三维流动 8、动量方程 的适用条件是( ) 。 0 ),,() ,(?????===w t z x f z y f u υin out QV QV F )()(ρρ∑-∑=∑
A．仅适用于理想流体作定常流动 B．仅适用于粘性流体作定常流动 C．适用于理想流体与粘性流体作定常或非定常流动 D．适用于理想流体与粘性流体作定常流动 9、在重力场中作稳定流动的系统，沿流动方向总水头线维持水平的条件是( ) 。A．管道是水平放置的B．流体为不可压缩流体 C．管道是等径管D．流体为不可压缩理想流体 10、并联管道系统中,其各支管内单位质量流体的能量损失（）。 A．不相等B．之和为总能量损失C．相等D．不确定 11、边界层的基本特征之一是（）。 A．边界层内流体的流动为层流B．与物体的特征长度相比，边界层的厚度很小C．边界层厚度沿流动方向逐渐减薄D．边界层内流体的流动为湍流 12、指出下列论点中的错误论点：（） A．平行流的等势线与流线相互平行B．涡流的径向速度为零 C．无旋流动也称为有势流动D．点源的圆周速度为零 13、关于涡流有以下的论点，指出其中的错误论点：( )。 A．以涡束诱导出的平面流动，称为涡流B．点涡是涡流 C．涡流的流线是许多同心圆D．在涡流区域速度与半径成正比 14、超音速气体在收缩管中流动时，气流速度（）。 A．逐渐增大B．不变C．不确定D．逐渐减小 15、为提高离心泵的允许安装高度，以下哪种措施是不当的？（） A．提高流体的温度B．增大离心泵吸入管的管径 C．缩短离心泵吸入管的管径D．减少离心泵吸入管路上的管件 参考答案：1.A 2.B 3.C 4.D 5.A 6.B 7.C 8.D 9.D 10.C 11.B 12.A 13.D 14.D 15.A
(完整版)流体力学部分测验题答案
一、单项选择题 1、流体运动粘度ν的国际单位为（ C ）。 A ．m Pa ? B ．m N ? C ．s m /2 D ．s Pa ? 2、理想流体指的是（ C ）。 A ．膨胀性为零的流体 B ．压缩性为零的流体 C ．粘度为零的流体 D ．体积弹性模量为零的流体 3、温度增加，气体粘度（ A ）。 A ．增加 B ．减小 C ．不变 D ．可能增加也可能减小 4、下列流体哪个属牛顿型流体？ ( D ) A. 牙膏 B.纸浆 C.油漆 D. 汽油 5、表面力是指作用在（ B ）的力。 A ．流体内部每一个质点上 B ．流体体积表面上 C ．理想流体液面上 D ．粘性流体体积上 6、下列各种力中属于质量力的是（ C ）。 A ．压力 B ．表面张力 C ．重力 D ．摩擦力 7、在平衡液体中，质量力恒与等压面（ C ）。 A ．平行 B ．重合 C ．正交 D ．相交 8、密度均匀的连续静止流体的等压面为（ D ）。 A ．斜平面 B ．抛物面 C ．垂直面 D ．水平面 9、相对压强的起量点为（ A ）。 A ．当地大气压 B ．标准大气压 C ．液面压强 D ．绝对压强 10、重力场中流体的平衡微分方程为（ D ）。 A ．gdz dp -= B ．gdz dp ρ= C ．dz dp ρ-= D ．gdz dp ρ-= 11、静止液体中同一点各方向的压强 （ A ） A ．数值相等 B ．数值不等 C ．仅水平方向数值相等 D ．垂直方向数值最大 12、用欧拉法研究流体运动时，流体质点的加速度=a （ A ）。 A ．V V t V )(??+?? B ．t V ?? C ．V V )(?? D ．22dt r d 13、在流体研究的欧拉法中，流体质点的加速度由当地加速度和迁移加速度组成，当地加速度反映（ C ）。 A ．流体的压缩性 B ．由于流体质点运动改变了空间位置而引起的速度变化率 C ．流体速度场的不稳定性 D ．流体速度场的不均匀性 14、已知不可压缩流体的流速场为 则流动属于（ B ）。 A ．二维稳定流动 B ．非稳定流动 C ．稳定流动 D ．三维流动 15、流管是在流场里的假想管状表面，流体流动应是（ D ） ),( ),() ,(?????===t y f w t x f y x f u υ
工程流体力学试题
工程流体力学试题 90下： 1. 写出流线与迹线的定义，说明它们在什么条件下可以重合。[94上] 流线[p58]：在某一瞬时，该曲线上每一点的速度矢量总是在该点与曲线相切。流体质点运动的轨迹称为迹线。如果是定常流动，积分后得到的流线与时间无关，流线的形状不变。任意流体质点必定沿某一确定的流线运动，其流线与迹线重合。 2. 简述流体的连续介质假设（连续性假设）[p4]。 在研究流体的运动时，只要所取的流体微团包含足够的分子，使各物理量的统计平均值有意义，就可以不考虑无数分子的瞬时状态，而只研究描述流体运动的宏观属性。就是说，可以不考虑分子间存在的空隙，而把流体视为由无数连续分布的流体微团所组成的连续介质，这就是***。 [不考虑流体分子间存在的空隙，而把流体视为由无数连续分布的流体微团所组成的连续介质。所谓流体微团，指的是在微观上充分大（和分子运动的尺度相比），在宏观上充分小的和所研究的问题有关的特征尺寸相比，的分子团。] 3. 简述普朗特混合长度概念的引出及其物理意义。 [p110]在粘性流体的层流流动中，除去流层之间相对滑移引起的摩擦切向应力τv 之外，还由于流体质点作复杂的无规律运动，在流层之间必然引起动量交换，增加能量损失，从而出现紊流附加切向应力或脉动切向应力τl 。普朗特认为，与气体分子的运动要经过一段自由行程相类似，某流体微团在和其他流体微团碰撞前也要经过一段路程l 。此长度即为普朗特混合长度。τl 与混合长度和时均速度梯度乘积的平方成正比。它的作用方向始终是在使速度分布更趋均匀的方向上。μl 不是流体的属性，只决定于流体的密度、时均速度梯度和混合长度。 4. 什么叫流函数，在什么条件下存在着流函数？流函数对于不可压缩粘性流体是否存在？[94下] [p223]：不可压缩流体平面流动的连续方程： 平面流动的流线微分方程： 由这两个方程可以引出一个描绘流场的函数ψ，它的微分形式是： 在流线上d ψ=0，即ψ=常数，在每条流线上函数都有它的常数值，所以称为流函数。存在条件：不可压缩流体的平面流动（不管理想或粘性，有旋或无旋）。因为在引出这个概念时，没有涉及流体是粘性的还是非粘性的，也没有涉及流体是有旋的还是无旋的。 物理意义：平面流动中流体间单位厚度通过的体积流量等于在两条流线上的流函数之差。 dy v dx v dy y dx x d x y +-=??+??=ψψψy v x v y x ??-=??0 =-dx v dy v y x
燃烧与爆炸学复习题
《燃烧与爆炸学》综合复习资料 一、概念题 1、燃烧的必要条件：燃烧物、助燃物、一定的温度。 2、燃烧热：1mol的物质与氧气进行完全燃烧反应时所放出的热量。 3、闪点：易燃、可燃液体表面挥发的蒸气与空气形成的混合气，接近火源时产生的瞬间燃烧现象称为闪燃。引起闪燃的最低温度叫闪点。 4、自燃点：指可燃物在空气中没有外来火源的作用，靠自热或外热而发生燃烧的所需要的最低温度叫自燃点 5、沸点：液体沸腾时的温度（即蒸汽压等于大气压时的温度）。 6、氧指数：是指在规定的条件下，材料在氮氧混合气流中进行有焰燃烧所需要的最低氧浓度。以氧所占的体积百分数的数值来表示。 7、特大火灾：死亡10人以上（含本数，同下）；重伤20人以上；死亡.、重伤20人以上；受灾户50户以上；烧毁财物损失50万元以上。 8、爆炸极限：可燃物质（可燃气体，蒸气或粉尘）与空气（氧气）的混合物，遇着火源能够发生爆炸的浓度范围。 9、熔点：物体由固态转变为液态的最低温度。 二、简答题 1、燃烧的“氧学说”？ 法国的化学家拉瓦锡在普利特利发现氧气的基础上，进行研究和做了大量实验，于1777年提出了燃烧的氧学说，认为燃烧是可燃物与氧的化学反应，同时放出光和热。拉瓦锡指出，物质里根本不存在一种所谓燃烧素的成分。燃烧氧学说的建立是对燃烧科学的一大贡献，它宣告了燃烧素学说的破灭。 2、气体燃烧的形式及其特点？ 气体燃烧有两种形式，一是扩散燃烧；二是动力燃烧。如果可燃气体与空气边混合边燃烧，这种燃烧就叫扩散燃烧(或称稳定燃烧)。如使用石油液化气罐烧饭就是扩散燃烧。如果可燃气体与空气在燃烧之前就已混合，遇到着火源立即爆炸，形成燃烧，这种燃烧就叫动力燃烧。 3、化学性爆炸的热爆炸机理是什么？ 由于物质在短时间内发生极迅速的化学反应，形成了其他物质并且产生高温、高压而引起的爆炸称为化学性爆炸。化学爆炸前后物质的性质和成分均发生了根本的变化。化学爆炸按爆炸时所产生的化学变化，可分三类。