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。     

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。     

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。     

二维楔形体入水问题的数值和实验研究

船舶在极端波浪条件下会产生剧烈的砰击,瞬时产生的巨大作用力会造成船体结构的损坏,因此准确预估入水砰击过程非常重要。本文通过数值和实验,分析楔形体入水过程中运动、受力以及自由表面的变化情况,验证光滑粒子流体动力学(SPH)方法在楔形体入水问题上的适用性和准确性,并使用此方法分析楔形体入水时楔形体斜升角和入水速度的影响。结果表明,光滑粒子流体动力学方法在解决入水问题上有很好的准确性,在楔形体受力和自由表面变形上与实验结果有很好的吻合度。通过计算发现,最大砰击力与楔形体斜升角的三次方成正比,与入水速度的二次方成正比,增大楔形体的斜升角和降低入水速度,都可有效减少入水砰击力。     

高速入水弹体结构冲击仿真研究

低空高速投放弹体能够具有很强的隐蔽性和快速攻击性,但是随之带来了弹体机械结构抗冲击问题。该文针对高速投放入水过程中弹体结构冲击问题进行了仿真研究。首先根据对弹体建立三维实体模型,包括其内部各机械电子以及装药部件的等效配置。然后采用大型流固耦合仿真软件Dytran进行入水冲击过程动态仿真。最后通过分析仿真结果数据得到几点有益的结论,为入水冲击弹体壳体以及内部机构抗冲击设计提供有价值的参考。     

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。     

带空腔圆柱结构入水射流冲击实验研究

入水问题是一个极为复杂的流固耦合问题,一般的数值手段很难进行完整的模拟,而实验手段则能够完整、准确地观测到结构入水的一系列复杂现象。本研究以实际导弹尾部出现的空腔结构为研究背景,以高速摄影技术为手段,设计多组实验,探究空腔结构参数对于入水砰击过程的影响。通过不同模型实验的对比,得到入水过程中空腔直径和空腔深度对于抨击射流的形成、冲击位置、腔内气体排出规律及自由液面飞溅等现象的影响规律。     

入水角对无人水下航行器自由入水影响的数值模拟

基于雷诺时间平均Navier-Stokes方程和流体体积函数法,对有相同初速度、不同入水角的UUV在相同高度的跌落入水进行数值模拟.分析垂向载荷、UUV周围压力和流动随入水角的变化,并研究UUV入水过程中的运动状态.结果 表明:UUV的垂向载荷在其入水过程中存在多个峰值,砰击力系数随着入水角的增加而非线性减小,尾部先入水时的砰击力更大.     

头部形状对水雷入水载荷及水下弹道影响的数值仿真分析

为了研究不同形状雷头对水雷入水过载及水雷水下弹道的影响,利用流固耦合仿真软件对半球形、锥形、斜锥形、平头半球形水雷击水问题进行数值模拟仿真研究,计算了4种不同雷头形状水雷入水时头部加速度和速度响应随时间的变化.通过研究表明,斜锥形能有效降低水雷入水时受到的载荷,对新型水雷的结构设计、引信的设计、水雷装药的安全性设计及其他元器件的抗冲击设计提供有价值参考.     

带空腔圆柱结构入水射流冲击实验研究

入水问题是一个极为复杂的流固耦合问题,一般的数值手段很难进行完整的模拟,而实验手段则能够完整、准确地观测到结构入水的一系列复杂现象.本研究以实际导弹尾部出现的空腔结构为研究背景,以高速摄影技术为手段,设计多组实验,探究空腔结构参数对于入水砰击过程的影响.通过不同模型实验的对比,得到入水过程中空腔直径和空腔深度对于抨击射流的形成、冲击位置、腔内气体排出规律及自由液面飞溅等现象的影响规律.     

低速物体入水溅落声特性研究

在水池中利用声压水听器和矢量水听器对实验模型低速入水产生的溅落声进行了一系列测量实验,对低速物体溅落声信号的波形特征、声源强度随入水角的变化规律以及频谱特性进行了初步分析,并给出了一些实验结果.     

入水问题的求解及其相关的工程应用(英文)

For solving water entry problems, a numerical method is presented, which is a CFD method based on free surface capturing method and Cartesian cut cell mesh. In this approach, incompressible Euler equations for a variable density fluid are numerically calculated by the finite volume method. Then artificial compressibility method, dual time-stepping technique and Roe’s approximate Riemann solver are adopted in the numerical scheme. Finally, some application cases are designed to show the ability of the current method to cope with water entry problems in ocean engineering.     

Numerical simulation of the water entry of a structure in free fall motion

To solve the problems concerning water entry of a structure, the RANS equations and volume of fluid （VOF） method are used. Combining the user-defined function （UDF） procedure with dynamic grids, the water impact on a structure in free fall is simulated, and the velocity, displacement and the pressure distribution on the structure are investigated. The results of the numerical simulation were compared with the experimental data, and solidly consistent results have been achieved, which validates the numerical model. Therefore, this method can be used to study the water impact problems of a structure.     

结构物自由落水砰击现象的数值模拟研究(英文)

To solve the problems concerning water entry of a structure, the RANS equations and volume of fluid(VOF) method are used. Combining the user-defined function(UDF) procedure with dynamic grids, the water impact on a structure in free fall is simulated, and the velocity, displacement and the pressure distribution on the structure are investigated. The results of the numerical simulation were compared with the experimental data,and solidly consistent results have been achieved, which validates the numerical model. Therefore, this method can be used to study the water impact problems of a structure.     

机载布放式AUV入水冲击仿真研究

机载布放式AUV是利用载机运送至特定海域上空,在一定条件下通过空投方式进入水下,完成预定工作的自主水下航行器。AUV入水时会受到巨大的载荷冲击,严重时会导致机体折断、元器件失灵,甚至引起弹道失控。为此,文章采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对机载布放式AUV的入水冲击问题进行了数值仿真研究。对不同入水速度、不同入水角度下AUV受力过程进行了计算,得出了不同入水条件下的速度响应曲线和压力响应曲线,可为机载布放式AUV的机体结构设计和投放条件研究提供参考。     

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。     

江海直达船船首入水砰击研究

基于有限体积法的数值仿真方法对3种不同江海直达船船首的入水砰击问题进行了研究。建立包含气、水流场的三维有限元模型,研究了在自由液面的变化、空气层的作用下、不同垂向速度时3种船首入水砰击问题。结果表明,数值计算仿真的方法可以有效地模拟江海直达船船首入水过程中自由液面和空气层的变化情况。在此方法下,相同速度时西瓜首的砰击峰值优于其他船首形式。     

流体与结构砰击的全非线性模拟:综述（英文）

This paper presents a review of the work on fluid/structure impact based on inviscid and imcompressible liquid and irrotational flow. The focus is on the velocity potential theory together with boundary element method(BEM). Fully nonlinear boundary conditions are imposed on the unknown free surface and the wetted surface of the moving body. The review includes(1) vertical and oblique water entry of a body at constant or a prescribed varying speed, as well as free fall motion,(2) liquid droplets or column impact as well as wave impact on a body,(3) similarity solution of an expanding body. It covers two dimensional(2D), axisymmetric and three dimensional(3D) cases. Key techniques used in the numerical simulation are outlined, including mesh generation on the multivalued free surface, the stretched coordinate system for expanding domain, the auxiliary function method for decoupling the mutual dependence of the pressure and the body motion, and treatment for the jet or the thin liquid film developed during impact.     

二维楔形体砰击载荷研究

利用Fluent软件研究二维楔形体结构的砰击问题,考虑外部大气压重力以及网格影响等因素,建立二维有限元模型,对不同斜升角的楔形体结构以不同的速度进行等速入水的情况进行计算。研究发现,最大砰击压力随着楔形体斜升角的增大而减小,随砰击速度的增大而增大。