一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法

1.本发明属于舰船毁伤与防护技术领域，具体涉及一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法。


背景技术：

2.由于大型舰船重要的战略地位和巨大的威胁作用，使其成为作战对方首要打击的对象，因此对于舰船抗爆抗冲击的新型防护措施及策略的需求愈发突出。船底水下爆炸具有：爆炸载荷大、危害程度强和防护难度高等特点。相较于船舶舷侧多种防护措施相比，船底防护的研究滞后且防护策略偏少。这主要是因为与舷侧爆炸时气泡能量从自由液面逸散相比，船底爆炸时船底板承担几乎全部气泡载荷，直接影响船舶的总纵强度造成船体的整体损伤。同时，由于船底防护空间受限，针对船舶舷侧的多舱室防护方案在船底不太适用。这就使得舰船底部成为了水下爆炸抗毁伤区域的短板和软肋，因此非常有必要针对船舶底部区域开展水下爆炸冲击载荷下的防护策略研究，从而提高舰船的抗毁伤能力。
3.水下爆炸气泡溃灭时指向舰船底部的射流和迁移特性会造成舰船的损伤，因此通过在舰船底部引入空气泡，通过空气泡-水下爆炸气泡之间的非线性耦合脉动特性从而改变气泡射流方向进而对周围结构产生防护作用是相关研究的出发点。然而，在针对水下爆炸气泡的防护方面存在如下的未知：炸药爆炸位置的不确定性、达到防护作用充气量的不确定性、气泡射流方向的不确定性等。因此，就需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.本发明目的是这样实现的：一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述水下爆炸气泡主动防护方法为沿着舰船底部设置船体喷气装置以产生空气泡，所述空气泡与水下爆炸气泡相互作用，以改变水下爆炸气泡的射流方向。
6.优选的，所述水下爆炸气泡的射流方向由无量纲气泡脉动周期参量进行定义；
7.所述无量纲气泡脉动周期参量公式为：
[0008][0009]
其中，γ1表示空气的比热，取γ1＝1.4；p
∞
表示水下爆炸气泡产生位置处的参考压力，ρ表示液体密度，ra为空气泡的初始等效半径，tb表示水下爆炸气泡的理论脉动周期，α为水下爆炸气泡与空气泡质心之间的夹角，也称为倾斜角；
[0010]
当t
′
》3.3时，水下爆炸气泡出现向上的气泡射流；当1.7《t
′
《3.3时，水下爆炸气泡生成右上方的气泡射流；当t
′
≈1.55时，水下爆炸气泡生成左上方的气泡射流，当t
′
≈1.12
时，水下爆炸气泡生成左下方的气泡射流。
[0011]
优选的，所述计入倾斜角场景下，给出无量纲距离参数γs；
[0012]
所述无量纲距离参数γs＝h/r
max
[0013]
其中，h为爆炸的初始深度；r
max
为水下爆炸气泡的最大气泡半径。
[0014]
优选的，所述根据弹药类型、航行轨迹确定装药的药量w和爆炸的初始深度h确定水下爆炸气泡3的最大气泡半径rm。
[0015]
优选的，所述倾斜角的取值范围为：0
°
≤α≤90
°
。
[0016]
优选的，所述水下爆炸气泡产生位置处的参考压力p
∞
＝p
atm
+ρgh
[0017]
其中，p
atm
为标准大气压；ρ为流体密度；g为重力加速度；h为爆炸的初始深度。
[0018]
优选的，所述水下爆炸气泡的理论脉动周期tb与空气泡的初始等效半径根据弹药类型、航行轨迹确定；
[0019]
所述水下爆炸气泡的理论脉动周期tb表达式为：
[0020]
tb＝2.11
×w1/3
/(h+10.3)
5/6
。
[0021]
优选的，所述水下爆炸气泡3的最大气泡半径r
max
根据弹药类型、航行轨迹确定装药的药量w和爆炸的初始深度h确定；
[0022]
所述最大气泡半径r
max
表达式为：r
max
＝3.38
×
(w/h+10.3)
1/3
。
[0023]
优选的，所述α＝0时，水下爆炸气泡位于空气泡正下方；所述α≠0时，水下爆炸气泡与空气泡存在倾斜角。
[0024]
优选的，所述舰船底部设置多个喷气口，喷气口内设置有船体喷气装置，喷气口设置成内凹储气式；所述船体喷气装置调节空气泡的喷气量。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有如下改进及优点：1、本发明通过考虑水下爆炸气泡与空气泡存在倾斜角的情况下，建立气泡射流方向判断参量t
′
，计入倾斜角影响的空气泡与水下爆炸气泡非线性耦合脉动特性，揭示了多种水下爆炸气泡射流方向形成机理；通过主动调节喷气口的喷气量实现改变水下爆炸气泡射流方向达到舰船底部结构防护的目的，从而为舰船冲击防护提供参考和依据。
[0026]
2、将舰船的底部设置成内凹储气式的喷气口，实现基于舰船底部空气泡的形成，使得在舰船底部形成一定的空气层，从而达到减阻节能效应；当水下爆炸气泡炸裂时，通过调整船体喷气装置的喷气量，能够生成较大的空气泡，通过空气泡-水下爆炸气泡的非线性耦合作用，使得水下爆炸气泡形成远离舰船底部的射流，起到防护舰船底部的作用。
附图说明
[0027]
图1为水下爆炸气泡在空气泡正下方时的结构示意图。
[0028]
图2为水下爆炸气泡与空气泡存在倾斜角时的结构示意图。
[0029]
图3为发明在船长方向的结构示意图。
[0030]
图4为α＝0时，有/无附着空泡场景下水下爆炸气泡射流的试验结果图。
[0031]
图5为α≠0时，单附着空气泡/两个附着空气泡情况下水下爆炸气泡射流的试验结果图。
[0032]
图6为本发明考虑倾斜角场景下水下爆炸气泡射流方向的无量纲气泡脉动周期图。
[0033]
其中，1-内凹储气式喷气口，2-空气泡，3-水下爆炸气泡。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明做进一步概述。
[0035]
如图1、2所示，一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，包括一下步骤：
[0036]
根据弹药类型、航行轨迹确定装药的药量w和爆炸的初始深度h，确定水下爆炸气泡3的最大气泡半径rm及水下爆炸气泡3的脉动周期tb；
[0037]
水下爆炸气泡3的最大气泡半径r
max
＝3.38
×
(w/h+10.3)
1/3
；水下爆炸气泡3的脉动周期tb＝2.11
×w1/3
/(h+10.3)
5/6
；
[0038]
在舰船底部设置船体喷气装置，通过船体喷气装置产生空气泡2；舰船底部设置多个喷气口1，喷气口1设置成内凹储气式；船体喷气装置根据实际使用情况设置。
[0039]
沿舰船船宽方向，在舰船船体中线处开有内凹储气式的喷气口1，在沿船长方向，在船体首部、中部和尾部同样布置有内凹储气式的喷气口1；将喷气口1的形状为内凹储气式，便于沿着舰船底部外表面的空气泡2形成。
[0040]
分析水下爆炸气泡3的射流方向，并对水下爆炸气泡3射流方向进行归纳；水下爆炸气泡3的射流方向包括：水下爆炸气泡3处于舰船底部的正下方场景和水下爆炸气泡3与舰船底部存在倾斜角场景；
[0041]
基于水下爆炸气泡3与舰船底部存在倾斜角场景建立无量纲气泡脉动周期参量公式，无量纲气泡脉动周期参量公式为：
[0042][0043]
其中，γ1表示空气的比热，取γ1＝1.4；p
∞
表示水下爆炸气泡3产生位置处的参考压力，ρ表示液体密度，ra为空气泡的初始等效半径，tb表示水下爆炸气泡的理论脉动周期，α为水下爆炸气泡与空气泡质心之间的夹角，也称为倾斜角。
[0044]
基于水下爆炸气泡3与舰船底部存在倾斜角场景下，给出无量纲距离参数γs；无量纲距离参数γs＝h/r
max
[0045]
其中，h为爆炸的初始深度；r
max
为水下爆炸气泡3最大气泡半径。
[0046]
水下爆炸气泡3产生位置处的参考压力p
∞
＝p
atm
+ρgh
[0047]
其中，p
atm
为标准大气压；ρ为流体密度；g为重力加速度；h为爆炸的初始深度。
[0048]
计入倾斜角情况下，通过空气泡2对水下爆炸气泡3的bjerknes力和舰船底部对水下爆炸气泡3的吸力的矢量合成，揭示了多种水下爆炸气泡3射流方向形成机理。
[0049]
调整船体喷气装置的空气泡2，改变水下爆炸气泡3射流方向，起到舰船底部的防护作用。
[0050]
基于建立的t
′
公式和判断水下爆炸气泡3气泡射流方向的参量范围，从而可以针对不同爆炸场景下的药量、爆炸深度和爆炸位置，通过计算主动调整内凹储气式喷气口1的喷气量，从而控制水下爆炸气泡3射流方向，进而实现基于舰船底部空气泡2的水下爆炸气泡3的主动防护。
[0051]
如图3所示，在船宽方向上沿船体中线处，在船长方向上沿着船首、船中和船尾处布置内凹储气式喷气口1。该喷气口1的喷气量可调，且根据舰船使用场景达到不同目的。在船舶正常航行时，在小功率压缩机作用下，在舰船底部形成一定的空气层，从而达到减阻节能效应；在战斗状态下，喷气口1处于大功率工作状态，通过调整喷气量生成较大的空气泡2，通过空气泡2-水下爆炸气泡3的非线性耦合作用，使得水下爆炸气泡3形成远离舰船底部的射流，从而达到舰船底部的防护作用。
[0052]
在图1中给出了船宽方向上，当水下爆炸气泡3位于空气泡2正下方α＝0时，由于两气泡的耦合脉动，使得水下爆炸气泡3形成远离舰船底部的射流；在图2中给出了水下爆炸气泡3与空气泡2存在倾斜角α≠0时，此时水下爆炸气泡3可能生成右上方、正上方、左上方和左下方的射流形式。图3给出了船长方向上，当水下爆炸气泡3位于单空气泡22一侧时，与图2工况下的场景一致；当水下爆炸气泡3位于两空气泡2一侧时，此时水下爆炸气泡3会受到多空气泡2的共同作用。
[0053]
本实施例中，通过武器类型及其轨迹深度判断水下爆炸药量、深度和方位角信息，基于提出的无量纲气泡脉动周期参量t
′
和具有倾斜角时两气泡耦合脉动场景下水下爆炸气泡3射流方向发展规律，得出附着空气泡2的尺寸信息。同时通过调整内凹储气式喷气口1的喷气量，从而实现基于舰船底部空气泡2的水下爆炸气泡3主动防护策略，同时可以进一步判断水下爆炸气泡3的射流方向。
[0054]
当舰船底部空气泡2与水下爆炸气泡3之间存在倾斜角时，空气泡2与水下爆炸气泡3的射流方向更加多样化；表明空气泡2对水下爆炸气泡3的防护作用与爆炸气泡参量、倾斜角、无量纲距离参数、空气泡2尺寸信息有关。
[0055]
如图4(a)所示，在舰船底部bjerknes吸力的作用下，此时水下爆炸气泡3形成向上的射流并向上迁移，使得气泡与舰船距离更近，从而水下爆炸气泡3载荷、射流载荷及气泡反弹阶段初期的冲击波载荷的舰船的毁伤作用更大。
[0056]
图4(b)可知，当舰船底部存在空气泡2时，且水下爆炸气泡3恰好位于空气泡2正下方(α＝0)，两气泡的耦合作用使得水下爆炸气泡3射流方向远离舰船底部，空气泡2从而起到了舰船底部防护作用。
[0057]
图5(c)可知，当水下爆炸气泡3与空气泡2之间存在倾斜角时(α≠0),此时由于倾斜角存在，使得空气泡2对气泡的bjerknes作用力与舰船底部的bjerknes吸力不在同一条方向上，此时水下爆炸气泡3的射流方向则由这两种bjerknes力的矢量合成方向决定。
[0058]
由图5(d)可知，当水下爆炸气泡3位于两个空气泡2斜下方时，在两个空气泡2的共同作用下，水下爆炸气泡3形成远离舰船底部的多向射流，同样表明空气泡2对舰船底部的防护作用。
[0059]
如图6所示，具有倾斜角的单空气泡2场景下，水下爆炸气泡3射流方向及其与距离参数γs、无量纲气泡脉动周期参量t
′
的关系图。当t
′
》3.3时，水下爆炸气泡3出现向上的气泡射流；当1.7《t
′
《3.3时，气泡生成指向右上方的气泡射流；指向左上方的气泡射流的平均值为t
′
≈1.55，气泡射流指向左下方的平均值为1.12。
[0060]
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述水下爆炸气泡主动防护方法为沿着舰船底部设置船体喷气装置以产生空气泡(2)，所述空气泡(2)与水下爆炸气泡(3)相互作用，以改变水下爆炸气泡(3)的射流方向。2.根据权利要求1所述的一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述水下爆炸气泡(3)的射流方向由无量纲气泡脉动周期参量进行定义；所述无量纲气泡脉动周期参量公式为：其中，γ1表示空气的比热,取γ1＝1.4；p
∞
表示水下爆炸气泡(3)产生位置处的参考压力，ρ表示液体密度，r
a
为空气泡(2)的初始等效半径，t
b
表示水下爆炸气泡(3)的理论脉动周期，α为水下爆炸气泡(3)与空气泡(2)质心之间的夹角，也称为倾斜角；当t
′
>3.3时，水下爆炸气泡(3)出现向上的气泡射流；当1.7<t
′
<3.3时，水下爆炸气泡(3)生成右上方的气泡射流；当t
′
≈1.55时，水下爆炸气泡(3)生成左上方的气泡射流，当t
′
≈1.12时，水下爆炸气泡(3)生成左下方的气泡射流。3.根据权利要求2所述的一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述计入倾斜角场景下，给出无量纲距离参数γ
s
；所述无量纲距离参数γ
s
＝h/r
max
其中，h为爆炸的初始深度；r
max
为水下爆炸气泡(3)的最大气泡半径。4.根据权利要求2所述的一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述倾斜角的取值范围为：0
°
≤α≤90
°
。5.根据权利要求2所述的一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述水下爆炸气泡(3)产生位置处的参考压力p
∞
＝p
atm
+ρgh其中，p
atm
为标准大气压；ρ为流体密度；g为重力加速度；h为爆炸的初始深度。6.根据权利要求2所述的一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述水下爆炸气泡(3)的理论脉动周期t
b
与空气泡(2)的初始等效半径根据弹药类型、航行轨迹确定；所述水下爆炸气泡(3)的理论脉动周期t
b
表达式为：t
b
＝2.11
×
w
1/3
/(h+10.3)
5/6
。7.根据权利要求3所述的一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述水下爆炸气泡3的最大气泡半径r
max
根据弹药类型、航行轨迹确定装药的药量w和爆炸的初始深度h确定；所述最大气泡半径r
max
表达式为：r
max
＝3.38
×
(w/h+10.3)
1/3
。8.根据权利要求4所述的一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述α＝0时，水下爆炸气泡(3)位于空气泡(2)正下方；所述α≠0时，水下爆炸气泡(3)与空气泡(2)存在倾斜角。9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，其特征在于：所述舰船底部设置多个喷气口(1)，喷气口(1)内设置有船体喷气装置，喷气口(1)设置成内凹储气式；所述船体喷气装置调节空气泡(2)的喷气量。

技术总结
本发明公开了一种基于舰船底部空气泡的水下爆炸气泡主动防护方法，属于舰船毁伤与防护技术领域；所述水下爆炸气泡主动防护方法为沿着舰船底部设置船体喷气装置以产生空气泡，所述空气泡与水下爆炸气泡相互作用，以改变水下爆炸气泡的射流；提出计入倾斜角场景下空气泡附近水下爆炸气泡射流方向的无量纲气泡脉动周期参量，计算船体喷气装置产生空气泡的喷气量，控制水下爆炸气泡射流方向。本发明通过建立气泡射流方向判断参量T


技术研发人员：王加夏 时圣照 刘昆 姜明佐 张代雨
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/6/27