Modeling underwater explosions: Extending Charles to FIVER

Author
Osnes, Andreas N.
Date Issued
2021-09-27
Keywords
Flerfasestrømning
Eksplosjoner
Sjokkbølger
Fluiddynamikk
Project number
21/00963
Permalink
http://hdl.handle.net/20.500.12242/2944
Collection
Rapporter
Description
1447
21-00963.pdf
Size: 848k
Abstract
Modeling of explosions and implosions under water is important for design of vehicles and installations both under water and on the sea surface. There exists simple models, often in the form of empirical calibrations, for the loads experienced at a given distance from an explosion. These models, however, are often insufficient, for example if one is interested in the response of a ship to an explosion at short or moderate distances from the ship. It is therefore necessary to be able to simulate such problems with high accuracy, and account for the interactions between explosion gases, water, air and the ship simultaneously. This is a very difficult problem, but modern methods and computational resources are able to perform such simulations, which provide valuable insights into realistic underwater explosion scenarios. This report is concerned with the implementation of a method for simulation of explosions and implosions under water in the flow solver "Charles", which is used at the Norwegian Defence Research Establishment (FFI). The extended simulation capabilities this implementation provides will strengthen the ability to simulate these problems at FFI, and increase FFI’s knowledge about underwater explosion problems. The "finite volume method with exact two-phase Riemann solver" (FIVER) has been implemented in Charles. This method is especially suited to simulate interactions between materials with very different properties, under the extreme thermodynamic conditions following immediately after detonation of a high explosive. The method is of a type that is readily implemented in the flow solver. In this work, the method has been implemented and tested for one-dimensional problems. In future work, the flow solver will be developed further, and the method will be implemented for two and three dimensions, so that realistic problems can be simulated.
Modellering av eksplosjoner og implosjoner under vann er viktig for design av farkoster og installasjoner både under vann og på havoverflaten. Det finnes enkle modeller, ofte i form av empiriske kalibreringer, for beregning av lastene opplevd ved en gitt avstand fra en eksplosjon. Disse er ofte ikke tilstrekkelige, for eksempel dersom man ønsker å vite responsen til et skip på lastene fra en eksplosjon i nærheten av skipet. Det er derfor nødvendig å kunne simulere slike problemstillinger med høy nøyaktighetsgrad, og ta hensyn til interaksjonen mellom eksplosjonsgasser, vann, luft og skipet samtidig. Dette er et svært vanskelig problem, men moderne metoder og regneressurser er i dag i stand til å simulere disse problemene, og gir viktig innsikt i realistiske scenarioer. Denne rapporten dreier seg om implementering av en metode for simulering av eksplosjoner og implosjoner under vann i strømningsløseren "Charles", som er i hyppig bruk ved Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) i dag. Denne utvidede simuleringsevnen vil gjøre FFI i bedre stand til å simulere slike problemer og bygge opp kompetansen på dette området. Metoden "finite volume method with exact two-phase Riemann solver (FIVER)" har blitt implementert i Charles. Denne metoden er spesielt egnet til å simulere interaksjon mellom materialer som har svært ulike egenskaper, under de ekstreme tilstandene som oppnås umiddelbart etter detonasjon av et høyeksplosiv. Metoden er av en type som lett lar seg implementere i strømningsløseren. I dette arbeidet har metoden blitt implementert og testet for endimensjonale problemer. I videre arbeid vil strømningsløseren videreutvikles, og metoden vil bli implementert for to og tre dimensjoner, slik at realistiske problemstillinger kan simuleres.
View Meta Data