深海耐压结构的多孔防护罩及其抑爆防护效果的计算方法

本发明涉及深海耐压结构内爆，具体地，涉及一种深海耐压结构的多孔防护罩及其抑爆防护效果的计算方法。

背景技术：

1、中空陶瓷耐压结构是极具发展潜力的深海潜器耐压结构之一，最显著的优点是在保证了结构承压能力的基础上重量轻，相比传统的金属材料耐压结构可以大大提高潜器的有效承载能力，从而提高潜器性能，此外陶瓷耐压结构还具有高强度、耐磨损、耐腐蚀等优势。然而，由于陶瓷材料固有的脆性特点，可能在安装和使用过程中存在某些未被发现的微小缺陷，在深海超高压环境下将会引发陶瓷耐压结构的水下内爆，内爆过程中会产生对周围结构破坏性极强的冲击波。一旦内爆冲击波产生将会引发周围结构接连发生内爆的连锁反应，极有可能导致整个深海潜器的破坏甚至损毁，水下内爆事故的发生给陶瓷耐压结构在深海潜器上的应用带来了极大的风险与挑战。

2、陶瓷作为一种新的深海耐压结构材料，在现有的研究中，对其内爆问题和防护措施的研究较少。因此，为了避免链式内爆的发生，亟待提出一种能够有效抑制内爆冲击波的防护措施，并提出能够准确预报抑爆效果的方法，为内爆防护研究提供技术支撑。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种深海耐压结构的多孔防护罩及其抑爆防护效果的计算方法。

2、根据本发明提供的一种深海耐压结构的多孔防护罩抑爆防护效果的计算方法，所述方案如下：

3、第一方面，提供了一种深海耐压结构的多孔防护罩抑爆防护效果的计算方法，所述方法包括：

4、步骤s1：采用基于力学原理的空心位置计算方法得到孔心坐标和孔径，确定多孔防护罩的数学表达；

5、步骤s2：简化内爆计算模型，采用同等尺寸的球形气泡代替陶瓷耐压结构及其内部空气进行内爆数值模拟；

6、步骤s3：采用可压缩多相流理论作为计算流体力学方法的控制方程，采用理想气体状态方程描述空气相，刚性气体方程描述水相；

7、步骤s4：流场网格采用笛卡尔网格结合自适应网格加密技术，在气泡边界和冲击波附近进行网格自适应加密；

8、步骤s5：在流场网格中将多孔防护罩所在位置的网格单元速度设为零，即设置多孔防护罩为刚性壁面；

9、步骤s6：开展带多孔防护罩的陶瓷耐压结构抑爆数值模拟，通过流场压力监测点获得流场中的压力脉动，当压力脉动趋近于环境压力时即可结束计算，与无防护罩时的内爆冲击波压力进行对比获得防护罩的抑爆效果。

10、优选地，所述步骤s1包括：

11、利用力学原理计算防护罩上n个均匀开孔的孔心位置，该方法令初始时刻球面上分布n个随机位置的点，每个点均能在球面上自由运动，设点的质量为m，位置为d，速度为v，点之间存在排斥力fn，fn随点与点之间距离dn的平方成反比，即fn＝k/dn2，取其中一个点i，通过计算其余点对该点的斥力后可获得当前点受到其余所有点的合力f，那么在每经过一个时间步ti时，该点的速度和位置即为：

12、vi＝vi-1+fiti/m

13、di＝di-1+viti

14、此时问题变为关于点位置(x,y,z)的多变量的微分方程求解，采用欧拉差分公式求解微分方程组，即可能在每个时间步更新所有点的位置、速度和加速度，在计算收敛后即获得n个均匀开孔的孔心位置坐标。

15、优选地，所述步骤s1还包括：

16、设定开孔防护罩的孔隙率μ，孔隙率定义为开孔总面积与防护罩外表面总面积的比值，防护罩外表面积s＝4πrin2，其中rin是防护罩外径；通过孔隙率获得每个开孔的半径从而获得整个防护罩在流场中位置的数学表达：

17、

18、其中，x,y,z为流场中的位置坐标，rin和rout分别是多孔防护罩的内、外径。

19、优选地，所述步骤s3包括：

20、深海内爆问题中水被认为是可压缩的，采用kapila可压缩多相流理论模型作为计算流体力学方法的控制方程，方程如下：

21、

22、式中下标1、2分别代表气液两相，αk表示k相的体积分数，k为1,2；ρk表示k相的密度，u表示两相的混合速度，p表示两相的混合压力，ρ表示两相的混合密度，i表示动量；

23、水采用刚性气体方程来描述，方程如下：

24、pl＝(γl-1)ρlel-lπ∞

25、气体使用理想气体状态方程来描述：

26、pg＝γg-1)ρgeg

27、式中的γl和γg分别代表液相和气相的热容比，el和eg分别代表液相和气相的单位质量的内能，ρl和ρg分别代表液相和气相的密度，π∞是压力常数；

28、求解过程依托开源cfd软件ecogen中有限体积离散的二阶muscl格式求解器，其中hllc近似黎曼求解器被用于求解单元边界处的数值通量和速度。

29、第二方面，提供了一种深海耐压结构的多孔防护罩，所述多孔防护罩包括：上半球壳和下半球壳，所述上半球壳和下半球壳拼接而成并通过锁紧件进行固定；所述上半球壳和下半球壳上均匀开设有多个孔。

30、优选地，所述上半球壳和下半球壳内部均设有圆环放置台用于放置陶瓷耐压结构，使陶瓷耐压结构位于多孔防护罩正中心。

31、优选地，所述上半球壳边缘处加工为凸台，下半球壳边缘处加工为与凸台相适配的凹槽，上半球壳和下半球壳通过凸台和凹槽实现对接。

32、第三方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的深海耐压结构的多孔防护罩抑爆防护效果的计算方法的步骤。

33、第四方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的深海耐压结构的多孔防护罩抑爆防护效果的计算方法的步骤。

34、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

35、1、本发明在陶瓷耐压结构塌陷的初始阶段，多孔防护罩对高压水涌入防护罩时的流场运动产生阻塞作用，从而降低流体动能；根据伯努利原理，水在进入多孔防护罩时流场压力会有所下降，使气泡的压缩程度减小，气泡内的高压聚集也会相应减小，从而实现了对压力脉冲的抑制；

36、2、本发明的多孔防护罩可使内爆冲击波在传播过程中受到干扰作用，冲击波会在开孔位置一部分透射到防护罩外，另一部分在防护罩内壁上向内反射，而且透射出去冲击波会因为防护罩的干扰而发生能量损失，导致冲击波强度衰减，进而实现抑爆的目的；

37、3、本发明通过界面锐化技术与自适应网格加密技术相结合，实现了相界面与激波的精准捕捉，从而揭示多孔防护罩的抑爆机理和冲击波演化规律。通过多孔防护罩的数学表达形式实现对抑爆数值实例的快速建模，从而实现对多孔防护罩抑爆效果的数值模拟研究。

38、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。