A compressible Lagrangian framework for the simulation of underwater implosion problems

Abstract

The development of efficient algorithms to understand implosion dynamics presents a number of challenges. The foremost challenge is to efficiently represent the coupled compressible fluid dynamics of internal air and surrounding water. Secondly, the method must allow one to accurately detect or follow the interface between the phases. Finally, it must be capable of resolving any shock waves which may be created in air or water during the final stage of the collapse. We present a fully Lagrangian compressible numerical framework for the simulation of underwater implosion. Both air and water are considered compressible and the equations for the Lagrangian shock hydrodynamics are stabilized via a variationally consistent multiscale method [109]. A nodally perfect matched definition of the interface is used [57, 25] and then the kinetic variables, pressure and density, are duplicated at the interface level. An adaptive mesh generation procedure, which respects the interface connectivities, is applied to provide enough refinement at the interface level. This framework is then used to simulate the underwater implosion of a large cylindrical bubble, with a size in the order of cm. Rapid collapse and growth of the bubble occurred on very small spatial (0.3mm), and time (0.1ms) scales followed by Rayleigh-Taylor instabilities at the interface, in addition to the shock waves traveling in the fluid domains are among the phenomena that are observed in the simulation. We then extend our framework to model the underwater implosion of a cylindrical aluminum container considering a monolithic fluid-structure interaction (FSI). The aluminum cylinder, which separates the internal atmospheric-pressure air from the external high-pressure water, is modeled by a three node rotation-free shell element. The cylinder undergoes fast transient deformations, large enough to produce self-contact along it. A novel elastic frictionless contact model is used to detect contact and compute the non-penetrating forces in the discretized domain between the mid-planes of the shell. Two schemes are tested, implicit using the predictor/multi-corrector Bossak scheme, and explicit, using the forward Euler scheme. The results of the two simulations are compared with experimental data.

El desarrollo de métodos eficientes para modelar la dinámica de implosión presenta varios desafíos. El primero es una representación eficaz de la dinámica del sistema acoplado de aire-agua. El segundo es que el método tiene que permitir una detección exacta o un seguimiento adecuado de la interfase entre ambas fases. Por último el método tiene que ser capaz de resolver cualquier choque que podría generar en el aire o en el agua, sobre todo en la última fase del colapso. Nosotros presentamos un método numérico compresible y totalmente Lagrangiano para simular la implosión bajo el agua. Tanto el aire como el agua se consideran compresibles y las ecuaciones Lagrangianos para la hidrodinámica del choque se estabilizan mediante un método multiescala que es variacionalmente consistente [109]. Se utiliza una definición de interfase que coincide perfectamente con los nodos [57, 25]. Ésta, nos facilita duplicar eficazmente las variables cinéticas como la presión y la densidad en los nodos de la interfase. Con el fin de obtener suficiente resolución alrededor de la interfase, la malla se genera de forma adaptativa y respetando la posición de la interfase. A continuación el método desarrollado se utiliza para simular la implosión bajo el agua de una burbuja cilíndrica del tamaño de un centímetro. Varios fenómenos se han capturado durante el colapso: un ciclo inmediato de colapso-crecimiento de la burbuja que ocurre en un espacio (0.3mm) y tiempo (0.1ms) bastante limitado, aparición de inestabilidades de tipo Rayleigh-Taylor en la interfase y formaron de varias ondas de choque que viajan tanto en el agua como en el aire. Después, seguimos el desarrollo del método para modelar la implosión bajo el agua de un contenedor metálico considerando una interacción monolítica de fluido y estructura. El cilindro de aluminio, que a su vez contiene aire a presión atmosférica y está rodeada de agua en alta presión, se modelando con elementos de lámina de tres nodos y sin grados de libertad de rotación. El cilindro se somete a deformaciones transitorias suficientemente rápidos y enormes hasta llegar a colapsar. Un nuevo modelo elástico de contacto sin considerar la fricción se ha desarrollado para detectar el contacto y calcular las fuerzas en el dominio discretizado entre las superficies medianas de las laminas. Dos esquemas temporales están considerados, uno es implícito utilizando el método de Bossak y otro es explícito utilizando Forward Euler. Al final los resultados de ambos casos se comparan con los resultados experimentales.