水中爆発バブル挙動解析

事例紹介

解析の目的

自由表面近傍の水中爆発について、水平境界の位置がバブルの振動・崩壊・移動に与える影響を4条件で比較した事例です。

解析条件

基準条件はTNT 1.05 g、水深300 mmでの爆発です。解析領域は水深2 m、直径2 mの円筒水槽で、Abaqus/ExplicitのEulerian要素を用いた5°の疑似軸対称くさびモデルにより解析しています。爆発生成物にはJWL（Jones–Wilkins–Lee）状態方程式を用い、水と周囲の気体もEulerian領域内にモデル化しています。

4条件の比較

動画左上は剛な水平境界のない基準条件、右上は自由表面位置に水平境界を設けた条件、左下は爆薬の150 mm上方、右下は150 mm下方に水平境界を設けた条件です。圧力コンターの時間変化を示し、バブルを見やすくするため、水が占める領域のみを表示しています。

モデル化上の注意

厳密な軸対称解析ではなく、3次元Eulerianくさびモデルによる疑似軸対称近似です。剛な水平境界は水平面上の節点に法線方向速度ゼロを課すことで近似しており、有限の厚みを持つ剛体板を直接モデル化したものではありません。基準条件の爆発エネルギーは、JFM 2024の自由表面近傍の爆発事例で報告されたバブル半径の時刻歴を参考に調整しています。

参考文献

Zhang et al., “A theoretical model for compressible bubble dynamics considering phase transition and migration,” Journal of Fluid Mechanics, Vol. 999, 2024. DOI: 10.1017/jfm.2024.954