水下爆炸在军事和国民经济领域均有广泛的应用背景,如水下攻击武器对舰艇的冲击毁伤,爆破清除水下建筑和破冰开辟极地航道等等。水下爆炸包括冲击波和气泡运动两个阶段,两者在时间和空间上尺度比巨大,传统的分析方法难以平衡精度与效率,通常将两阶段分开处理,带来较大的精度上的妥协。为此,本文在充分调研近场水下爆炸载荷特性及其数值研究方法的基础上,针对船舶与海洋工程领域的水下爆炸多尺度载荷连续模拟问题、多相流界面大变形问题、三维水下爆炸高效工程化数值模拟问题,在原欧拉有限元法基础上对多相流界面压力平衡、流场无反射边界、MUSCL守恒问题进行适应性改进,建立了可用于近场水下爆炸冲击波阶段与气泡阶段连续模拟的改进的欧拉有限元方法,随后基于该方法自编程开发水下爆炸轴对称数值模型和基于自适应网格细分技术的多尺度三维数值模型,并通过一系列的实验及与其他方法结果对比对模型精度进行验证。在此基础上开展自由场水下爆炸载荷的连续模拟及能量耗散机理研究,分析研究近自由面、沉底液液界面、水平及垂直刚性壁面附近近场水下爆炸载荷特性,为舰船抗爆抗冲击等相关工程应用研究提供技术支撑。首先,针对水下爆炸问题的特点,确立适用的基本方程,基于欧拉有限元方法和流体体积法对水下爆炸多相流控制方程进行数值离散和求解,并针对水下爆炸问题提出了多种改进措施,包括同时适用于冲击波和气泡阶段的无反射边界条件,对轴对称模型中的MUSCL算法进行修正以保证其守恒性,通过调整内能的方式实现压力平衡等,建立了适用于水下爆炸冲击波、气泡两阶段全过程研究的改进的欧拉有限元法,并基于该方法建立了轴对称数值模型,通过与大浮力参数的电火花气泡实验对比验证了该数值模型在水下爆炸多相流数值模拟中具有很高的精度,可为后续的研究工作提供基本的分析方法。其次,在本文建立的数值分析方法的基础上,采用轴对称模型分析了自由场中的水下爆炸载荷的非对称特性和气泡多周期脉动过程中的能量耗散机理。通过与水下爆炸实验结果对比表明,本文建立的数值模型和无反射边界条件对水下爆炸冲击波载荷和气泡载荷均有较高的精度,并能准确模拟多周期脉动的能量耗散,且发现了近场水下爆炸载荷具有受浮力参数影响显著的非对称特性。然后从理论和数值方面分析了水下爆炸气泡多次脉动的能量耗散机理,并发现能量耗散主要来自于气泡在最小体积附近时辐射的压力波,对此提出了一个基于马赫数的无量纲量来解释和表征这一能量耗散机制,发现能量耗散基本与该参数呈线性关系,研究成果可推广到其他水下爆炸问题能量耗散的预报中。随后,针对超浅水的水下爆炸问题,采用轴对称气泡动力学数值模型分析了气泡在自由面破裂与再闭合特性。通过电火花气泡实验,验证了该数值模型的有效性。研究发现当水下爆炸发生的位置深度较浅时,产生的气泡可能会在自由面破裂。随着破裂后爆轰产物的继续膨胀,压力会小于大气压,从而产生从破裂的气泡内部指向上方空气压力梯度,诱导破裂的气泡重新闭合,并发生环状射流砰击,产生水柱喷射现象。此外,还计算分析了浮力参数和气泡初始深度对气泡破裂与再闭合特性的影响规律。然后,针对软泥海底的沉底水下爆炸,本文将其简化为水下爆炸气泡在两种密度流体界面的运动问题,并基于欧拉有限元方法建立了轴对称数值模型。本文计算分析了不同的浮力参数和上下两种流体的密度比对气泡运动特性的影响规律。研究表明在气泡膨胀阶段会产生界面溢出、翻卷,半球形气泡溃灭和环形射流砰击等现象;在气泡收缩阶段,密度界面倾向于诱导气泡产生朝向较重的流体的射流。气泡脉动的无量纲周期随着两种液体的密度比的增大而增大,当密度比超过1.5时会诱导气泡产生环形射流和辐射砰击压力峰值,环形冲击随浮力参数的增大而增强。当浮力参数超过一个阈值时,气泡向上迁移并脱离密度界面。再次,本文针对水平壁面附近的水下爆炸问题,建立了轴对称数值模型,并据此重点分析了不同无量纲参数对冲击波、气泡脉动、气泡射流载荷特性的影响规律。研究发现,气泡的脉动和射流运动受到壁面Bjerknes力和浮力的共同影响。当壁面在气泡下方时,壁面作用和浮力相互抵消,此时射流发展时间更长,速度更高,能够对壁面产生更大的冲击载荷,但作用范围十分有限;反之,两者相互叠加,射流发展更快,气泡在收缩早期就被射流穿透,反而导致射流载荷不大。最后,采用三维欧拉有限元方法分析了竖直壁面附近的水下爆炸问题。考虑到三维中水下爆炸多尺度问题计算量巨大,本文采用Block-based自适应网格细分技术在保持关心区域的计算精度的前提下,大幅缩减问题自由度个数,然后结合动态负载平衡技术,建立了高精度、多尺度的水下爆炸冲击波、气泡两阶段全过程高效并行数值模型,并采用同相双气泡实验模拟和验证了该数值模型的有效性。通过对不同浮力参数下气泡后期运动的仿真分析,发现在被射流穿透后,气泡可能再次撕裂为两个环状气泡并断裂为月牙形气泡,这是由于大浮力参数下气泡产生扁平射流,并在气泡收缩过程中不断向壁面偏转导致的。此外研究还发现在射流冲击前,射流尖端与即将穿透气泡外面之间存在气垫效应,导致附近固壁在气泡被射流穿透前受到的冲击压力急速上升,射流速度垂直于对面的气泡表面,壁面受到的冲击压力最大。综上所述,本文针对水下爆炸冲击波、气泡两阶段全过程数值模拟建立了基于欧拉有限元方法的多尺度并行计算方法,并据此分析了自由场、自由面、壁面和密度界面等不同环境下的水下爆炸载荷特性,旨在水下爆炸载荷的工程应用研究提供技术支撑。