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。     

航行体不同角度入水的空泡流体特性研究

为研究航行体不同俯仰角入水空化演变规律及空泡流体特性,基于Realizable k-ε湍流模型和VOF多相流模型,建立航行体不同俯仰角入水数值模型,开展数值方法验证,数值模拟结果与实验测试结果吻合。基于此,研究航行体入水空化过程演变机理及其不同俯仰角水空泡内流体分布规律和空化阶段演变特性。研究结果表明,依据空泡内流体分布变化规律空化过程可分为空泡的表面闭合阶段、饱和阶段、深度闭合阶段和溃灭阶段;在入水速度一定的情况下随航行体入水俯仰角增大空泡生成速率降低、空泡内的水蒸汽体积增长率减小、水蒸汽体积含量峰值变小、空泡饱和阶段的空气体积变大,体积范围为6%～9%;空泡表面闭合无量纲时间随入水俯仰角从-10°变化到10°呈对数趋势增长,空泡饱和无量纲时间近似线性递减,空泡深度闭合无量纲时间基本不受俯仰角变化影响。     

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OpenFOAM的楔形体入水问题研究

为了研究重力作用下,不同底升角的二维单楔形体和双楔形体匀速入水过程中的砰击压力分布,采用OpenFOAM开源软件建立基于粘流理论的CFD数值模型,采用有限体积法（FVM）离散由雷诺平均方程和连续性方程组成的控制方程组,采用流体体积法（VOF）来捕捉气液两相交界面。给出不同工况下的自由液面形状和楔形体表面砰击压力分布,并与前人基于势流理论的数值结果比对分析。研究结果表明,重力和底升角对砰击压力均有较为明显的影响,重力的作用与时间相关,双楔形体压力大于同底升角单楔形体压力。     

碟旋体高速小角度入水稳定性仿真分析

[目的]针对高速航行体小角度入水稳定性问题,提出碟形回转体(碟旋体)高速斜切入水的技术方案,研究航行体高速入水的弹道特性。[方法]利用刚性Lagrange结构网格和Euler流场网格(L/E)耦合的方法,建立碟旋体和尖头回转体小角度入水的仿真模型。通过对比所用算法得到的位移与文献试验测得的结果,验证算法的准确性。对比分析两种航行体在以7°斜角高速(405 m/s)入水后的质心弹道轨迹及计算结果,并模拟碟旋体在不同角度入水时的初始弹道,分析其对碟旋体入水弹道稳定性的影响。[结果]分析结果表明,在以7°斜角高速入水后,尖头回转体发生了跳弹现象,而碟旋体能保持较好的斜射姿态,未发生跳弹现象,这说明碟旋体在小角度入水时水下弹道稳定性很高;在不同入水角度下,碟旋体的弹道侧向偏斜较小,入水弹道均稳定。[结论]研究结果可为水面舰船向水下目标精确、稳定和高速投放有效载荷提供新的思路。     

多相流作用下水下刚性跨接管流致振动特性数值模拟方法研究

跨接管内一般为油、气、水混合的多相流动,目前多相流作用下的管道振动研究多为实验研究,运用计算结构力学CSD和计算流体力学CFD结合的流固耦合方法对多相流内流作用下的倒置U形跨接管流致振动问题进行研究,得到管道内的多相流分布和管道动力响应,可用于多相流内流作用下水下跨接管的设计及跨接管振动疲劳寿命分析。     

无轴轮缘推进器流热耦合研究

无轴轮缘推进器将永磁电机与螺旋桨集成一体，螺旋桨旋转时对电机电磁损耗与流场换热特性产生影响，进而改变各部分的温度分布。采用有限元法（FEM）计算推进电机的电磁损耗，采用有限体积法（FVM）建立流体场和温度场仿真模型，对推进器的电磁-流-热耦合问题进行仿真分析。通过对比仿真和试验结果，验证了流热耦合仿真方法的有效性。在此基础上，推导了螺旋桨转速与集成电机的损耗关系，并利用仿真模型分析了在不同进速系数、不同转速、不同间隙下推进器电磁损耗及流体场对推进器散热的耦合影响。结果表明，外域水流对推进器的温升影响较小，当间隙流速达到一定程度时散热减缓；推进器螺旋桨转速与集成电机电磁损耗存在幂次方关系；推进器主要靠间隙流体的流动带走热量，间隙大小会影响推进器散热，应合理选择推进器间隙尺寸。     

高速运动物体砰击水面后的动力学特性研究

基于流-固耦合有限元法,对工程中经常出现的水平方向高速运动物体砰击水面后的动特性建立了三维砰击模型,并开展了相应的仿真、分析研究,得出了高速运动物体砰击水面后的运动轨迹及其动特性.研究成果对工程中诸如民航飞机水上迫降、空投物体的入水特性分析及高速航行的船舶引擎突然熄火后的动特性研究等工作具有十分重要的现实指导意义.     

浅水域结构流固耦合振动的固有频率计算

本文首先建立了浅水域声学边界元方程和相应的FEM/BEM耦合振动方程,探讨了水深对结构振动固有频率和振型的影响,流体可压缩性对结构振动固有频率的影响.研究结果表明:水深变化对结构固有频率有影响,随着水深减小,结构固有频率降低,特别是当水深与结构浸深接近时,水深变化对固有频率影响极大,且振型顺序也可能发生变化;而流体的可压缩性对于浅水域结构固有频率影响不大.     

基于完全非线性边界元方法的楔形液舱入水问题研究

基于不可压缩势流理论研究二维楔形液舱入水问题。采用液舱内部载有等质量水与冰对比方法,研究液舱在入水过程中内部流体运动对液舱运动的影响。采用时域内的边界元法研究此问题,建立2个独立的边界元计算域,第一个是模拟液舱内部流体的内部计算域,另外一个是模拟外部开敞流体的计算域。前者在物理坐标系下求解,后者在拉伸坐标系下求解。采用辅助函数方法求解附加质量和水动力,并建立内部流体载荷、外部流体载荷和液舱壳之间的耦合运动方程,研究三者之间的相互影响。     

带尾翼射弹跨水中声速斜入水初期弹道数值研究

本文基于CFD方法针对带尾翼射弹跨水中声速斜入水过程开展数值研究，分析射弹入水过程中空泡形态、流体动力及运动稳定性等特性，获得入水速度、入水角、攻角、侧滑角等入水初始参数对射弹入水初期弹道的影响规律。研究发现：（1）射弹跨水中声速入水瞬间的冲击会在水中产生压力波并以声速向周围传播，射弹头部前方始终存在高压区，当速度超过水中声速时，弹头前会存在弱脱体弓形激波随弹体运动；（2）射弹斜入水过程会造成空泡以弹轴为界、上部分开口比下部分大的非对称发展特征；（3）对于本文射弹算例，入水速度主要影响入水轴向载荷，入水角通过影响尾翼撞水时间影响入水弹道的偏转，但其作用相对较弱，攻角和侧滑角通过尾翼撞水后产生的俯仰/偏航力矩成为影响弹道偏转的主要因素；（4）不同参数之间存在耦合影响，入水角的减小会增加正攻角下弹道偏转，降低负攻角下弹道偏转。     

二维楔形体人水砰击的数值仿真

利用MSC．Dylran动力学软件研究了二维楔形体的入水砰击问题。建立了包含空气、水和楔形体的完全耦合的二维有限元模型,其中,流体域用Euler单元来模拟,结构部分用Langrange单元来模拟,采用一般耦合算法,同时计及重力的影响。本文分别对刚体等速入水和弹性楔形体初速度入水进行了数值计算,发现数值仿真的压力结果比理论值略微偏小,而自由液面的变化情况与试验和理论分析基本一致。结果还表明,不同冲击速度下流固耦合效应对弹性结构的动响应有着不同程度的影响。     

二维楔形体入水砰击的数值仿真

利用MSC.Dytran动力学软件研究了二维楔形体的入水砰击问题。建立了包含空气、水和楔形体的完全耦合的二维有限元模型,其中,流体域用Euler单元来模拟,结构部分用Langrange单元来模拟,采用一般耦合算法,同时计及重力的影响。本文分别对刚体等速入水和弹性楔形体初速度入水进行了数值计算,发现数值仿真的压力结果比理论值略微偏小,而自由液面的变化情况与试验和理论分析基本一致。结果还表明,不同冲击速度下流固耦合效应对弹性结构的动响应有着不同程度的影响。     

非饱和夹层土中水-气-热-力多场耦合分析

在修筑公路时,不可避免涉及路基质量控制问题。针对非饱和夹层路基土中水-气-热-力多场耦合问题进行研究,在质量守恒和能量守恒方程中创造性地引入水蒸气和干燥气体非对流通量的影响因素,同时在耦合过程中考虑固体基质和液相的可压缩性的影响,并在动量守恒方程中考虑了土体的热应变与湿应变,利用COMSOL对非饱和夹层土的水-气-热-力多场耦合模型进行求解,将数值解与试验结果进行了对比,验证了所建立数学模型的准确性。基于该数学模型,分析了单层非饱和土与非饱和夹层土体在温度梯度和水力梯度作用下,土体中水分场、气体场以及温度场分布规律的不同,为路基的建设和保护提供了理论指导和依据。     

基于ALE方法的平底结构入水冲击动力特性研究

结构冲击入水作为一种典型的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域,特别是作为海洋平台简化模型的平底结构有着重要的工程应用背景和学术研究价值。本文采用ALE算法对二维弹性平底结构等速冲击入水过程进行数值模拟和分析,分别采用Lagrange单元和Euler单元来表征结构和流体,并通过耦合算法实现对流固耦合过程的模拟,分别讨论不同质量、刚度及入水速度情况下空气垫现象对结构底部压力的影响。计算结果表明,平底结构入水冲击过程中,底部边缘处压力最先达到峰值,随后沿宽度方向向中心依次出现压力峰值,且结构等速冲击入水后的运动为自由振动。冲击压力的峰值随结构质量及刚度的增大而增大,同时冲击压力峰值与速度呈线性关系,随速度的增大而增大,底部斜升角对冲击压力峰值的影响十分显著。通过上述研究为工程应用中的结构强度设计提供重要依据。     

凹形运动体三自由度入水运动特性数值研究

为研究凹形运动体三自由度入水过程运动特性,本文基于RANS方程和VOF多相流模型,结合重叠网格技术和动网格技术,对凹形运动体入水过程开展了数值仿真研究。通过数值计算结果与实验结果比较,验证了数值计算方法的有效性。基于该方法分析了不同垂向速度和水平迁移速度对凹形运动体三自由度入水过程运动特性的影响规律。研究结果表明:凹形运动体入水后旋转运动受喷溅冲击影响较大;下落过程中质心运动轨迹存在回摆而呈现"Z"型特征;垂向速度的增加对质心回摆运动具有抑制作用,而水平迁移速度的增加对其具有促进作用。     

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.     

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。     

基于 FEM/BEM 的浸水结构振动及声辐射特性国内研究综述

文章基于有限元（FEM）或有限元结合边界元（FEM/BEM）分析方法,对浸水结构振动及声辐射特性国内公开发表的文献进行梳理,从低频流固耦合的振动特性、弱耦合与强耦合的声辐射特性、直/间接边界元的非唯一性与奇异性等着重流体数值模拟方面,对国内相关研究进行了综述分析,就浸水结构振动及声辐射特性的研究发展动态做出了总结,为相关科研人员研究浸水结构振动特性及声辐射提供了有益参考。     

平板微气泡减阻预报及影响因素研究

假定气-液两相流均匀混合,且微气泡在水流中存在滑移,运用流体计算软件Fluent中的混合多相流模型对平板微气泡减阻过程进行数值模拟,研究了微气泡流的减阻机理及喷气速度与主流速度之比、微气泡大小、空隙率分布等对水中运动平板减阻效果的影响规律,并指出微气泡减阻率为喷气速度与主流速度之比的非线性对数函数,且存在相对饱和喷气速度,同时建立了一个平板微气泡减阻率大小的预报模型,并从理论上对减阻效果进行了预报。