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。     

侧方扰动下圆柱体异步并联入水实验研究

为研究圆柱体低速并联入水的空泡演化特性,基于高速摄像方法,开展圆柱体单独入水和异步并联入水的实验研究,通过对比得到侧方扰动下并联双空泡的演化规律,并分析了入水时差对不同闭合方式空泡演化的影响。实验结果表明：侧方扰动的主要表现为次发圆柱体空泡对首发圆柱体空泡的排挤,其对首发圆柱体的影响远大于次发圆柱体,且在入水时差较小时次发圆柱体会使首发圆柱体空泡的喷溅薄膜提前回卷；对于深闭合空泡,随着入水时差的增大,首发圆柱体的空泡闭合时间增加,次发圆柱体空泡的不对称性增强,回射流的角度和高度均减小。对于表面闭合空泡,随着入水时差的增大,双空泡的闭合时间与首发圆柱体空泡的气团脱落时间都会推迟,侧方扰动对空泡闭合时间的影响减弱,在空泡闭合后,空泡的特征长度逐渐增大。     

基于VOF的物体入水-下潜过程数值模拟

漂浮物体在取水口附近入水后可能会下潜至涵道,为数值研究其入水-下潜过程,基于计算流体力学模型中的VOF法,并结合动网格方法,首先构建了不同密度圆柱体的自由入水以及出水过程,验证了物体出入水过程造成的射流、入水深度及物体速度变化;其次结合二维明渠的取水过程模拟了不同初始动量条件下圆柱体的入水-下潜过程。结果表明:文章建立的入水-出水数值模型可很好地刻画二维圆柱体入水及出水的具体过程,且初始动量大小是圆柱体在入水后能否下潜至取水涵道的关键因素,数值结果为判断取水口附近物体入水后的下潜风险提供了分析依据。     

波流作用下圆柱体入水特性的三维数值模拟研究

结构在实际海况中入水受到多种载荷的共同作用,同时还伴随波浪作用的影响,因此该过程是一个强非线性的过程。针对结构在波、流中入水过程的特点,将入射波(波、流)引入非线性双渐进法,研究三维刚体圆柱体在波、流及波流联合作用下入水过程运动响应及姿态的变化,计算结果与试验结果符合得较好,非线性双渐进法适用于分析三维刚体波、流中入水问题。结果表明在近波面附近,结构受波浪作用明显,入水相位、浪级、流速及波流速度矢量差异对结构入水运动速度及轨迹影响明显。     

三维实船首部结构入水砰击载荷预报

首先对三维回转体结构入水砰击问题进行仿真研究,并与文献中的试验结果进行对比,从而验证仿真方法计算三维结构入水砰击问题的可行性;其次研究三维实船首部入水砰击过程,分析实船首部结构砰击压力与入水速度、结构曲率的关系,并提出该首部结构的砰击压力预报公式。     

三维实船首部结构入水砰击载荷预报

首先对三维回转体结构入水砰击问题进行仿真研究,并与文献中的试验结果进行对比,从而验证仿真方法计算三维结构入水砰击问题的可行性;其次研究三维实船首部入水砰击过程,分析实船首部结构砰击压力与入水速度、结构曲率的关系,并提出该首部结构的砰击压力预报公式。     

基于PVDF压电薄膜的入水冲击压力测试技术

本文针对入水冲击压力测试问题展开研究,自行设计了基于PVDF压电薄膜的传感器和用于标定该传感器的立式Hopkinson压杆标定系统,对PVDF压电薄膜传感器进行标定。在此基础上进行入水冲击压力测试试验,测得了不同入水速度下的入水冲击压力,并结合数值计算的结果对试验数据进行了对比验证,基本验证了基于PVDF压电薄膜的入水冲击压力测试技术的可行性。本文研究成果可以为射弹入水冲击压力的预报及测试提供一种技术手段,为结构设计提供一定基础。     

弹性楔形体各状态参数对入水运动性能的影响

为了分析砰击问题的各种状态参数对船舶入水运动性能的影响,文章采用一种新的 CFD （Computational Fluid Dynamic）方法动态数值模拟了二维弹性楔形结构的自由入水过程。此方法利用液面捕捉法和直角切割网格系统解决入水过程中瞬时移动的自由液面和动边界问题,结合弹性板条梁结构的有限元理论将算法扩展应用于弹性结构的入水特性分析。其中,根据流场的直角切割网格和弹性结构的板条梁单元的特点,提出适合该文算法的流固耦合策略和边界数据传递方法。通过与实验数据进行比较,证明了文中算法求解弹性楔形体入水问题的正确性和合理性。最后,建立不同状态参数（结构材料属性、板厚和质量、底面斜升角和入水高度等）的弹性楔形结构自由入水模型,研究了各参数对自由入水的弹性楔形结构的整体运动性能和局部变形响应的影响。     

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.     

三体船砰击压力数值计算方法研究

基于冯卡门砰击理论的基本思想,对任意形状的二维剖面入水砰击问题进行了数值研究,并且将该数值计算方法应用在了三体船船首底部二维剖面的砰击压力计算中。首先采用源汇分布法对二维剖面在不同入水深度处的附加质量进行求解,进而计算得到附加质量随入水深度的变化。在剖面入水速度已知的情况下,即可求得剖面的砰击压力值。然后以二维楔形体入水砰击为例,采用本文的数值计算方法对不同底部升角的砰击压力系数进行了数值计算。并且将数值计算结果与模型试验数据进行了比较,结果显示在底部升角大于10°的情况下,两者符合良好,从而验证了该数值方法的可行性。最终,利用该方法对三体船船首底部二维剖面的砰击压力进行了研究。     

用带优化的非线性PID控制方法设计鱼雷控制器

提出了一种带优化修正函数的非线性PID控制器设计方法，通过对控制器参数离线寻优，并对修正函数在线优化调整，可用它设计出性能优良且易于工程实现的控制器。然后用该法为某型鱼雷非线性系统设计了弹道深度控制器并在各种入水条件下进行了仿真研究。仿真结果表明，所设计的鱼雷非线性弹道深度控制系统具有良好的动、静态特性，且对鱼雷入水条件的变化具有较强的适应性。     

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。     

高速油缸的缓冲结构设计

高速油缸的运行速度极快,需要在行程末端进行缓冲,因此设计一种合理的缓冲结构十分重要。本文参考了4种经典的油缸缓冲结构,借鉴其优点,采用压力补偿方法保证缓冲过程中压力的稳定性,提出了一种通用的缓冲冲头设计方法,并采用Matlab仿真输出了油缸缓冲结构的冲头形线。     

垂直入水空泡内部压强分布数值研究

基于RANS方程,在VOF多相流模型中嵌入水蒸汽和水之间的质量输运模型成功实现了垂直入水空泡流的数值计算。通过与试验结果的对比说明了以上数值方法的可信性,并在此基础之上对带不同锥角头型圆柱体以不同速度垂直撞击自由液面后所生成的空泡内部压强分布进行了深入分析,结果表明:在入水空泡形成阶段,空泡内部压强会出现较大的降低现象,并随着空泡的发展压强值逐渐趋于稳定;空泡形成阶段空泡内部压强随入水物体头部锥角增加而增加;在开空泡阶段空泡内部压强低于环境压强,并随着入水速度增加而呈降低变化趋势,空泡内部压强轴向和径向分布较为稳定,没有较大的压强梯度;在空泡趋于闭合阶段空泡内部压强出现较大的波动,其变化规律与空泡内部空气复杂速度场变化规律相吻合。     

基于SPH方法的救生艇入水砰击数值模拟

救生艇在自由抛落过程中将与水面发生砰击现象,伴随自由面的破碎、飞溅等强非线性特征,采用拉格朗日系统光滑粒子法(SPH)对该剧烈流动现象进行数值研究.首先对二维楔形体的自由落水过程进行模拟,并与试验结果进行了对比,验证了文中SPH计算程序在艇体入水问题上具有较好的可靠性.随后,考察了楔形艇体截面的舭部夹角对入水过程中自由面的演化过程及结构运动产生的影响.最后,将SPH方法拓展至三维救生艇的入水过程模拟研究中,分析了艇体入水后的自由面变化及艇体运动的三维特征.数值结果表明,SPH方法能够成功应用于具有复杂自由面变化的救生艇入水砰击问题研究.     

非周期性入水冲击问题研究进展

结构体入水冲击阶段周围的流体将呈现出强非线性特性,一直以来都是流体力学领域研究的热点。本文对非周期性入水冲击问题研究进展进行概述,按照理论研究、数值计算和试验研究3个方面对国外研究成果进行分类,并单独地对国内研究概况进行了总结。基于研究现状,对国内外入水冲击研究中面临的问题进行了分析,可为进一步开展入水问题研究提供参考。     

反潜导弹空中末弹道及入水控制问题研究

基于反潜导弹空中飞行和入水跟踪的安全性可靠性要求,从空中末弹道的阶段划分、开伞前的弹道控制、降落伞拉直和充气时的物理过程、弹伞系统空间弹道及控制等方面,分析了反潜导弹空中末弹道的物理过程与控制技术,总结了降落伞增阻减速的能量方程以及雷伞系统空间弹道方程的基本动能公式;从外载荷和冲击环境、导弹结构动响应分析、导弹结构动响应分析、导弹冲击稳定性、导弹入水缓冲技术等方面阐述了反潜导弹(鱼雷)入水及缓冲的关键技术和典型部件,为反潜导弹的设计与使用提供理论依据。     

基于OpenFOAM的无转角和有转角楔形体舱段入水砰击载荷数值模拟研究

合理预报船首局部结构砰击载荷是船舶设计和研究者重点关心的问题。文章针对无转角和有转角楔形体舱段入水砰击问题,采用OpenFOAM开源软件,开发了基于两相流求解器InterDyMFOAM数值模拟结构入水砰击的程序包,开展了预报研究工作。数值模拟了入水过程的压力和加速度时域响应历程,与入水砰击模型实验进行了对比分析,吻合很好。同时讨论了网格划分等对结果的影响和砰击的三维效应。结果表明,本文提出的入水砰击载荷预报方法计算效率高,具有推广应用到预报复杂三维船首结构砰击问题的潜力。     

逆向支撑底模反吊在水中防撞墩台施工中的应用

在航道整治工程中设置的桥梁防撞墩,由于墩台的底部经常设置在常年平均水位之下,无法按常规方法采用底部模板正向支撑系统施工。通过采用逆向支撑底模反吊方案,将钢木组合整体模板吊装入水,墩台分层浇筑的方式进行施工。该方案无需设置围堰,形成干地施工条件,成功解决水下混凝土浇筑和模板拆除难的问题,也解决通航水域狭小、操作空间有限、保证正常通航的问题,具有施工方便、安全性高、墩台施工精度易于控制的优点。     

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。