楔形体入水初期流场的数值模拟

本文应用VOF方法对楔形体入水初期流场进行了数值计算与分析，并与楔形体入水初期流场PIV试验结果及高速摄影流态显示试验结果做了比较。结果表明，水下流场的流态与PIV试验结果一致，自由面形状与高速摄影试验结果一致，贴近物面有一股向上的射流，速度很高。本数值计算方法可以较好地模拟水下速度场、捕捉自由面形状，并能模拟入水喷溅现象。     

基于VOF法的半球-圆柱体液舱晃荡数值模拟

利用三维建模软件建立了纵荡激励下半球-圆柱体液舱内粘性液体晃荡的数值模型,利用计算流体动力学软件对不同工况下的液体晃荡进行了数值模拟,得到了液体对各监测点的作用力和液舱模型的一阶固有振动周期,分析了不同装载率、不同激励幅值、不同激励频率对液舱内液体晃荡的影响。     

高速射弹小角度入水数值模拟研究

采用基于RANS方程的CFD方法,结合VOF多相流模型和动网格技术,并考虑水的可压缩性,研究带尾翼射弹高速小角度入水时的空泡发展和弹体姿态变化,分析入水角和入水攻角对射弹运动稳定性的影响。研究发现,射弹入水初期空泡呈现不对称性,锥段部分区域沾湿,导致弹体抬头而形成正攻角,加剧了空泡的不对称性,从而引起跳弹和失稳。随着入水角增大,射弹入水稳定性增强。负攻角可以增强射弹入水稳定性,稳定性随负攻角的增大而增强;在正攻角下射弹稳定性随着攻角增大呈现先增强后降低的变化。     

圆柱体高速入水数值模拟研究

为了获得圆柱体高速入水过程的演化规律,采用计算流体力学方法对其进行仿真模拟。应用VOF模型和重叠网格技术对圆柱体入水过程的运动情况进行计算,利用Schnerr-Sauer空化模型对入水空化现象进行模拟。仿真获得圆柱体入水过程的空泡演化过程、压力变化和速度衰减曲线。结果表明:圆柱体高速入水过程中,速度先急剧减小然后逐步平稳降低,空泡开始形成,圆柱头部边角处出现空化现象;在撞水时圆柱头部压力急剧增大,入水后压力迅速减小;入水过程与文献结果变化趋势一致,验证了模型的可靠性。     

下水式升船机船厢入水过程三维数值模拟技术*

船厢出入水过程产生的附加水动力荷载是下水式升船机发展需要解决的一个突出问题。采用VOF模型和κ-ε湍流模型,结合动网格技术建立三维数学模型,对下水式升船机船厢入水过程的水动力学特性进行模拟。研究表明：该模型具有较好的精确性和稳定性,可以用于模拟船厢入水后船池内部产生的复杂水流运动。应用该模型分析构皮滩第三级垂直升船机船厢不同入水速度下船池内部水流波动特性以及流场分布特征,计算结果与物理模型试验结果吻合较好。     

浅水中下潜物体有航速辐射问题的数值解

开发了一种基于非均匀有理B样条(NURBS)的Rankine源高阶面元法用于求解浅水中下潜物体有航速辐射问题。基于势流理论,流场中的扰动速度势用物体表面和自由面上分布的Rankine源来表达,同时用映像法计及水底的影响;采用NURBS曲面精确表达物面和自由面,在求出边界面上的未知源强后,物体表面的速度势分布用B样条表示;采用配置方法对边界积分方程进行求解,采用高斯—勒让德公式计算方程中的积分,同时开发了一种解决数值积分中奇异性问题的方法。采用文中数值方法求解了浅水中下潜圆球的有航速辐射问题,计算得到了下潜圆球水动力系数和自由面波形,所得水动力系数计算结果和他人的计算结果进行了比较,其吻合程度良好,从而验证了文中开发方法的有效性。     

基于LBM方法的圆盘等速入水空泡的数值模拟

采用单相格子Boltzmann模型进行了物体垂直入水问题的研究.该模型适用于大密度比的气液两相流动,其特点是忽略了系统中气相对液相的动力学影响.模拟了圆盘垂直等速入水过程,给出了入水过程中空泡与自由面的变化规律,研究了圆盘入水空泡相对闭合深度与Froude数之间的关系.数值模拟结果与相关的实验结果吻合良好,验证了格子Boltzmann方法(LBM:Lattice Boltzmann Method)模拟物体入水问题的可行性.     

耦合VOF的非线性k-ε模型三维溃坝数值模拟

溃坝是一种伴随有巨大破坏力的灾害性的水流现象。三维溃坝的数值模拟能够为溃坝水流的研究分析提供科学的依据。针对瞬间全溃模型水流的复杂性,考虑水库下游障碍物的滞水及阻水作用,利用开源程序OpenFOAM建立了耦合VOF对流方程的三维非线性(NL)k-ε紊流数学模型求解雷诺时均纳维斯托克斯方程。采用有限体积法进行离散,利用PISO算法进行数值求解。通过模拟下游为三角形障碍物、矩形障碍物以及90°弯道的溃坝实验,并将模拟结果与实验结果进行对比分析,初步证明了该模型的准确性和鲁棒性。     

二维“杯”形随边超空泡剖面入水数值研究

文章采用求解BANS方程的方法,结合VOF方法和RNG κ-ε湍流模型,对二维超空泡剖面入水问题进行了数值模拟,主要研究了不同"杯"形随边剖面入水时对流场的影响.计算结果清晰地展现了自由表面的演变过程及喷溅现象.可为半浸桨的优化设计作理论指导.     

基于ABAQUS显式CEL方法的球体入水数值研究

文章针对球体入水过程,采用显式动力学CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian analysis)方法,对球体入水空泡的演化、发展过程进行了模拟。CEL方法在入水、特别是低速入水模拟过程中,由于无约束自由面边界的影响,需对水介质的体积模量进行修正,进而通过与球体入水实验入水弹道数据的对比,表明CEL方法在流固耦合数值求解中的有效性。最后,提出了显式动力学数值求解入水冲击载荷在采样频率、欧拉-拉格朗日接触的网格离散,以及整体网格离散精度控制方面应遵循的基本原则。     

基于CEL方法的射弹高速入水数值研究

针对超空泡射弹火炮武器在航空反水雷作战中的应用,本文基于耦合欧拉—拉格朗日(CEL)方法对射弹高速入水过程进行了数值模拟,重点对入水空泡的捕捉精度问题进行了研究。对于平头射弹而言,采用刚体壳单元进行几何离散、求解,由于双侧接触问题会使入水空泡的捕捉失真。基于对壳单元双侧接触形成机理的分析,获得了改善射弹高速入水空泡捕捉精度的方法。通过射弹入水后的超空泡形态与试验、理论研究结果的对比,表明了CEL方法对高速入水数值求解的有效性;进而通过射弹带攻角垂直入水尾拍过程的数值模拟,捕捉到了与水下发射试验相近的空泡不连续演化特征。最后,对数值模拟得到射弹尾拍载荷特性、射弹尾拍航行状态下姿态偏转角速度变化的分析表明,射弹尾拍对其水下弹道性能有重要影响。     

基于VOF法的不同形状液舱晃荡数值模拟

以水下航行器水平液舱内的液体晃荡问题为研究对象,基于VOF方法建立二维水平液舱数值模型,研究不同外部激励对液舱晃荡造成的响应。通过仿真计算2种特殊工况下自由液面的晃荡状态,分析数值仿真模拟和文献结果的误差,证明了模型计算的精确性。在矩形液舱计算的基础上,进一步对和海洋工程实际形状类似的半圆-矩形液舱进行模拟分析。通过计算分析各个影响参数对液舱晃荡的影响,得到压载水舱内的波高历时曲线以及舱壁上某监测点处的压力时间曲线。数值模拟计算的结果误差较小,为减小晃荡对水下航行器的影响提供了理论依据。     

Application of the VOF method based on unstructured quadrilateral mesh

To simulate two-dimensional free-surface flows with complex boundaries directly and accurately, a novel VOF (Volume-of-fluid) method based on unstructured quadrilateral mesh is presented. Without introducing any complicated boundary treatment or artificial diffusion, this method treated curved boundaries directly by utilizing the inherent merit of unstructured mesh in fitting curves. The PLIC (Piecewise Linear Interface Calculation) method was adopted to obtain a second-order accurate linearized reconstruction approximation and the MLER (Modified Lagrangian-Eulerian Re-map) method was introduced to advect fluid volumes on unstructured mesh. Moreover, an analytical relation for the interface’s line constant vs. the volume clipped by the interface was developed so as to improve the method’s efficiency. To validate this method, a comprehensive series of large straining advection tests were performed. Numerical results provide convincing evidences for the method’s high volume conservative accuracy and second-order shape error convergence rate. Also, a dramatic improvement on computational accuracy over its unstructured triangular mesh counterpart is checked.     

基于VOF方法的不规则波数值波浪水槽的阻尼消波研究

对基于VOF方法的不规则波数值波浪水槽进行了阻尼消波研究。在水槽右端的出流边界处,设置了一定长度的海绵层来吸收波浪,海绵层的衰减系数采用线性分布的形式。通过不同入射波参数的数值计算结果,比较了不同形式的衰减系数和参数的海绵层消波效果,给出了对应不同波要素范围的海绵层参数取值范围。对浪高仪位置处波面历时采用两点法进行了分离,波浪的反射率满足计算要求,给出了数值水槽中不同时刻波面高度空间分布情况,应用快速傅里叶变换得到计算波谱,计算波谱与靶谱吻合较好,计算结果表明所采用的海绵层阻尼消波是一种很好的边界处理方式。     

基于VOF方法的驻留微气泡形状稳定性仿真研究

亚微米级的驻留微气泡在强剪切流中发生变形,会导致将气泡简化为完全滑移刚性壁面而进行的数值仿真出现明显误差.文中采用了VOF方法求解驻留微气泡的气—液两相流平板Couette流场模型,利用剪切流粘性力与表面张力的比值毛细数Ca作为判据,得到了Ca=0.1作为亚毫米尺度微气泡在剪切流中发生显著变形的临界值,并将Ca＜＜0.1作为将驻留微气泡简化为完全滑移刚性壁面的适用条件.通过仿真得出滑移长度随毛细数增大而减小,当毛细数超过0.1时,驻留微气泡起到增阻作用.在微气泡不发生严重变形的前提下,选择尽量大尺寸的气泡有利于提高减阻效果.     

A parametric study on water-entry of a twin wedge by boundary element method

High speed catamarans are used for pleasure, racing as well as passenger transportations. Optimal design of these crafts requires knowledge of sea loads exerted on their structures. The total load may be estimated by integration of loads exerted on a series of two-dimensional sections along the hull. In order to access the cross-sectional loads, the problem may be simplified to solve the water-entry problem of a twin hull. In this paper, water-entry problem of a twin wedge at constant vertical water-entry speed is studied. The problem is solved in the framework of potential theory using boundary element method where gravity effect on the flow is neglected. A simplified model based on Wagner theory is employed. Free surface elevation and pressure distribution on the body in different deadrise angles have been evaluated. A parametric study has been done to investigate effects of deadrise angle, distance between demi-hulls and free surface elevation on maximum pressure coefficient. Finally, a regression formula for maximum pressure coefficient has been proposed. Results of parametric study reveal that as time advances the interaction between two demi-hull gets more severe, besides the interaction effect on pressure coefficient is nonlinear.     

弹体入水冲击载荷特性分析

对由MSC.Dytran仿真计算得到的2种不同初始速度入水弹体入水冲击载荷进行了平稳性检验、功率谱、冲击响应谱、高斯特性、高阶统计等特征分析.研究表明,水雷入水冲击载荷是平稳信号并且为非高斯分布,速度是影响冲击载荷信号的主要因素,为弹体抗冲击总体设计提供依据.     

基于 LES 和 BPBE 的舰船气泡尾流数值分析方法

提出一种基于大涡模拟（LES）和气泡群平衡方程(BPBE)的舰船气泡尾流特征参数研究的数值分析法：首先建立舰船尾流场 LES 控制方程,结合实船初边始条件,对流向的速度进行数值模拟;然后再将 LES 计算得到的速度代入 BPBE 方程进行尾流中气泡数密度分布（BND）的求解。计算结果表明：BND 沿尾流流向的分布基本符合指数分布,在500 m 以内的区域衰减速度很快,500 m 以外的区域衰减速度缓慢;在离船尾越近的地方,小气泡的相对 BND 越大;在3000 m 距离处 BND 最大的气泡尺寸约为70滋m。该方法计算效率较高、占用空间较少,可望为舰船气泡尾流特征的研究提供新的有效手段。