运动圆柱体水平撞水时的弯曲振动响应分析

针对空投弹药入水冲击问题,应用结构振动学理论及相关求解方法,研究了圆柱体在水平入水时与水面发生碰撞瞬间沿长度方向受到水面冲击载荷作用时的弯曲振动响应,建立了数学模型,并利用动力学仿真软件对其入水过程进行了仿真计算.结果表明圆柱体材料弹性模量、截面积、质量和长度对其响应有很大影响,使用文中所采用的解析法可以计算运动体水平撞水瞬间的弯曲振动响应,为空投入水弹药壳体设计提供理论参考.     

入水角度对高速射弹入水过程的影响

研究入水角度对高速射弹入水过程的空泡形态、弹道特性及流体动力特性的变化规律,计算中使用VOF(volume of fluid)多相流模型,Schnerr and Sauer空化模型,同时结合重叠网格和6DOF(degrees of freedom)技术对射弹的入水过程开展数值模拟.结果表明:射弹两侧空泡形态不对称,与左侧空泡相比,右侧空泡尺寸较大;射弹入水以后,入水角越小,射弹质心处的速度越大;入水角为45°时,俯仰角、偏航角、滚转角的波动范围更小;射弹在撞击水面时,阻力和升力岀现了一个峰值,但侧向力没有岀现峰值,而是一段微小的波动;入水角度对射弹流动稳定阶段的滚转力矩、偏航力矩及俯仰力矩影响非常小.     

半浸桨不同半径切面入水的水动力特性

为探究半浸桨无因次切面位置对半浸桨杯型切面入水过程水动力特性的影响,选择了半浸桨0.6、0.7、0.8无因次半径处的杯型切面进行建模.通过求解RANS方程模拟杯型切面入水过程的同时,结合流体域体积方法以及重叠网格技术,建立可靠的数值方法,研究不同切面位置的半浸桨杯型切面入水过程的水动力特性.分析不同切面位置对半浸桨杯型切面入水过程的自由液面形式、通气腔形式、流场以及表面压力分布的影响.结果表明：随着无因次半径剖面位置越靠近半浸桨的梢部,完全通气状态与部分通气状态之间的过渡状态会发生在较大的进速系数下,横向力系数和敞水效率也会有所增加.     

典型外飘剖面有限水域入水砰击分析

针对大外飘船艏结构的砰击压力特性,应用重叠网格法对结构入水砰击过程进行仿真研究.分别讨论了当外飘结构底部为尖底形或球鼻艏形时,结构质量、入水初速度和流域宽度对砰击压力特性和入水速度的影响.另外,分析了限制流域宽度带来的侧壁面效应对外飘结构发生入水砰击时的自由液面抬升、水下压力分布的影响,对外飘砰击压力预报以及船艏结构优化具有一定参考意义和价值.     

不同头型回转体低速倾斜入水过程流场特性数值模拟

基于有限体积法和VOF多相流模型求解气、水两相流动的RANS方程,结合动网格技术,对回转体低速倾斜入水过程进行数值模拟研究.通过将数值计算结果与试验数据进行比较,验证了数值计算方法的有效性.基于该方法对不同头型回转体低速倾斜入水过程进行分析,得到不同头型条件下回转体入水空泡形态发展规律、回转体运动特性及流体动力特性变化规律.研究结果表明:同一入水深度,入水空泡直径和流场中最小压力值随着回转体头部锥角的增加而增大;不同头型回转体,锥头母线同一位置处压力随着头部锥角的增加而增大;回转体阻力系数与其头部锥角大小直接相关,锥角较大时,阻力系数也较大,速度衰减也较快.      

二维楔形体初期入水的水动力特性初探

结构物入水是当今航空、水中兵器、船舶和海洋工程领域研究的难题之一,其产生的冲击和砰击现象十分复杂,无论是在理论分析、物理试验还是数值计算研究方面都有一定的难度.为了能够模拟二维楔形体的初期入水问题,基于Fluent的k-ε模型以及动网格方法,通过编写用户自定义函数(UDF),采用VOF和DOF方法追踪自由液面及楔形体轨迹,研究了楔形体初期入水过程的自由液面运动轨迹、速度场分布、压力场分布以及入水过程中楔形体的速度、压强变化.通过与其他学者的类似研究成果进行对比分析,结果表明:利用Fluent的k-ε模型能够比较准确的模拟二维楔形体初期入水的水动力特性.     

失事航天器高速入水砰击数值模拟研究

针对失事航天器入水砰击过程中水动力系数求解精度较低的问题,基于流体体积(VOF)多相流模型和自然空化条件建立了复杂结构物高速入水砰击数值模型,模拟圆柱体入水砰击过程,对砰击荷载、阻力系数、速度和加速度变化规律进行预报,并将数值模拟结果与试验结果进行了精度对比,验证了本研究方法的精确性.在此基础上以典型航天器为研究对象,分析砰击速度和航天器密度对其砰击荷载和水动力系数的影响.研究结果表明:航天器残骸的砰击速度和密度对其阻力系数影响较小,阻力系数稳定值约为0.35;航天器残骸的砰击荷载峰值随砰击速度的增加而增加.     

圆柱在波浪中入水的数值模拟

为了研究波浪对圆柱入水过程的影响,采用二维CFD(Computational Fluid Dynamic)方法数值模拟了圆柱在规则波中的入水过程.该方法采用自由液面捕捉法和直角切割网格系统分别处理自由液面和物体动边界,结合推板造波和海绵阻尼消波原理而实现数值造消波,并分析波浪参数(波高、周期和圆柱入水时的波浪相位)对圆柱入水动力特性的影响.以在波浪中的起重船上悬吊圆柱入水作为工程应用实例进行数值模拟,研究不同工况下绳索的张力变化和重物的运动特性.     

高速射弹小角度入水弹道特性研究

研究高速射弹小角度入水过程中的空化现象和弹体运动规律.计算采用VOF多相流模型捕捉空泡界面,采用Schnerr and Sauer空化模型模拟空化现象,弹体运动通过6自由度方程与重叠网格技术进行求解.计算分析了弹体小角度入水过程中的弹道特性、空泡的演化规律及射弹的流体动力特性,初步探索了高速射弹的小角度入水时产生的弹跳现象.研究表明:此高速运动的旋转射弹在小角度入水时,弹体轨迹和姿态容易发生很大的变化,空泡形态不对称,弹体大面积沾湿导致弹体受到很大的流体动力和力矩,弹体运动失稳产生弹跳翻转现象.分析表明,弹体小角度入水容易沾湿,沾湿对流体动力及其运动姿态有着极大的影响,弹体的不对称沾湿是超空泡射弹失稳的重要原因.      

楔形体入水的时间解析-粒子图像测速测试及数值研究

为了研究楔形体入水问题以及基于粒子图像测速(PIV)进行砰击压力间接评估的可行性,应用时间解析PIV(TR-PIV)技术对不同底升角楔形体入水过程中的流场进行测试.开展相应的数值模拟,依据PIV结果进行瞬时砰击压力重构.详细分析了入水过程中的运动响应与流场结构,探讨了基于TR-PIV压力重构方案的准确性和适用性.结果表明:楔形体入水流场的TR-PIV测试结果与数值结果吻合良好.对于不同网格间距和时间步长,压力重构方案均具有良好的精确性.基于TR-PIV重构不同底升角楔形体的砰击压力场结果与数值结果吻合良好,砰击载荷的评估结果同样吻合良好.     

大型桥梁结构入水砰击中兴波及压力特性研究

通过物理模型试验的方法研究了广东九江大桥被撞坍塌处某段桥梁结构由一定高度坠落砰击入水的整个过程,着重分析了砰击引起的兴波特性及砰击压力特性.试验结果表明,结构砰击入水整个过程中产生了两次兴波,后续兴波要比初始兴波大;由于桥梁结构具有特殊的砰击面,入水砰击引起的砰击压力特性与其他结构(如平底结构)是有所不同的,特别是砰击压力峰值的分布规律.     

圆柱型后体对圆锥垂直入水空泡的影响

基于VOF(Volume of Fluid)方法和有限体积法求解气、水两相流动的RANS方程,并结合动网格技术,对带圆柱后体的圆锥垂直入水空泡进行了数值研究.将球体垂直入水早期空泡形态的数值计算结果与A·May的理想空泡模型拟合结果进行对比分析,二者具有较好的一致性,验证了数值计算方法的有效性.在此基础之上,进一步研究了带圆柱后体的模型垂直入水空泡生成过程,分析了有、无圆柱后体和不同后体长度对匀速垂直入水空泡的影响.给出了不同长度后体匀速垂直入水空泡内部流场的分布,以及后体对匀速垂直入水空泡闭合和空泡最大直径等的影响和表面闭合时间的影响规律.     

基于ABAQUS的结构入水砰击流固耦合特性分析

基于耦合欧拉-拉格朗日方法,应用ABAQUS软件建立球体垂直入水模型,通过对两种材料球体入水过程数值仿真结果与实验数据进行对比,验证了应用此方法解决流固耦合问题的有效性,根据已有模型依次改变迭代时间步长和泊松比,得出了数值处理参数的改变对空泡形态、球体速度等数据的影响.研究表明,时间步的改变比泊松比对数值结果的影响更为明显.改变入水材料的泊松比可以在一定程度上改变球体入水后的运动特性,但对于空泡发展过程的影响微乎其微.     

水下圆柱体带空泡轴向绕流研究(英文)

研究了水下圆柱体带空泡轴向绕流问题.用数值方法研究了不同长细比圆柱体水下运动产生空泡的形态及圆柱体水下带空泡绕流的阻力特性,圆柱体绕流空泡形态以及阻力系数数值计算结果与试验对比,符合较好.圆柱体长细比对空泡形态影响可以忽略.随长细比增大:空化数较高时,阻力系数先减小后增大;空化数较小时,其阻力系数基本保持不变.小空化数条件下,给定长细比,空化数越小,阻力系数越小.     

结构物砰击入水问题研究进展

结构物砰击入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用前景。结构物从一定高度落下以一定速度砰击水面,早期主要针对砰击入水过程的结构响应开展研究,而对入水后水下压力场突变和兴波等却研究较少,而随着大型桥梁和海洋工程日渐增多,在这些工程的施工和使用过程中也出现了大型结构物砰击入水的现象,如广东九江大桥被撞垮塌后大面积桥面落入水面等,这种砰击入水后水下压力场突变和兴波等会对周围结构物产生一定影响,评价这种影响对施工和设计具有现实的工程意义。文中综述了过去七十多年里人们在结构物砰击入水问题研究中取得的成果,分别从理论分析、试验和数值方法三个方面介绍了结构物砰击入水的研究进程,比较了各种研究方法的优缺点,再以九江大桥桥面垮塌为例,提出采用结构物砰击入水理论来评价此类大型结构物砰击入水后水下压力场突变和兴波效应等对周围结构物如桥梁桥墩结构的影响,最后展望了结构物砰击发展方向以及将其应用在桥梁建设过程中的可行性。     

科考设备斜滑道入水流致噪声的数值模拟与实验测试研究

为了研究科考设备斜滑道入水的噪声预报问题，本文设计了一种斜滑道装置，利用CFD软件对不同入水速度与投放角度进行投放噪声的数值模拟，选用分离涡模型（detached-eddy simulation,DES）和FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings,FW-H)声类比模型开展入水物体噪声计算。在计算得到水动力噪声的时域脉动压力结果后，通过傅里叶变换得到频域的噪声分布。本文设计了相关实验对数值结果进行验证，并通过分析典型工况下的流场域以及噪声的时域及频域特性，进一步分析实验与数值系统误差的来源。结果表明，流致噪声占总噪声的主要部分，斜滑道与科考设备之间的相互耦合作用、滑道壁的流固耦合现象、传送过程中不可避免的机械噪声以及声辐射特性数值模拟模型的不完备性是系统性误差的来源。     

空投沉底航行体入水和触底过程仿真研究

基于ANSYS/LS_DYNA软件,对某空投沉底水雷以大倾斜角高速入水过程以及水雷触底过程进行了仿真研究。通过对水雷入水和触底时的过载研究,对水雷结构强度设计提供了依据;通过对水雷入水时的姿态研究,对水雷的布放设计提供了指导意见,对入水后的水下弹道设计也具有重要的参考意义。     

不同表面粗糙度下圆柱体涡激振动响应特性数值研究

使用数值模拟方法,研究了不同粗糙度下圆柱体的涡激振动响应特性,对圆柱体的涡激振动位移响应幅值、响应频率、涡激力、漩涡泄放模式以及涡激振动位移响应与涡激力之间的相位角等参数进行了分析.结果表明,圆柱体涡激振动响应幅值随着粗糙度的上升呈下降趋势.当圆柱体表面光滑或表面粗糙度较小时,涡激振动响应可分为初始分支、上分支以及低分支.在初始分支以及上分支区间,圆柱体尾部漩涡泄放模式呈2S模式;在低分支区间,圆柱体尾部漩涡泄放模式呈2P模式.当圆柱体表面粗糙度较大时,涡激振动响应仅存在初始分支和低分支.初始分支区间,尾部漩涡泄放模式呈2S模式;低分支区间,尾部漩涡泄放模式呈2P模式.     

二维楔形体入水砰击仿真研究

基于数值仿真的方法对二维刚性楔形体的入水砰击问题进行了研究.建立了包含气水流场的二维有限元模型,考虑空气、重力等因素在砰击过程中的影响,研究了流场的自由液面、压力和速度等物理量的变化情况.对不同入水角的楔形体入水的砰击压力峰值系数进行了计算,分析压力峰值的变化规律.结果表明,楔形体入水砰击压力峰值系数不仅与入水角度有关,而且与入水速度也有很大的关系.     

基于二维变形体入水的滑行艇水动力研究

为寻找准确便捷估算滑行艇水动力的方法,在二维半理论的简化模型下,通过CFD方法建立气液二相流VOF模型,数值模拟二维变形体入水砰击过程,对滑行艇稳定直航状态下的动升力进行研究.为验证数值模型精度,首先对二维楔形体入水进行数值模拟,并将得到的砰击参数与理论近似解结果进行比较,进而根据船模实验中的航行姿态,将三维船体稳定直航简化为二维变形横剖面入水过程并通过动网格技术进行数值模拟.将变形横剖面入水不同时刻的动升力沿船长方向对应的横剖面位置进行积分得到全艇的动升力.同时,对三维船体进行绕流计算,将得到的动升力与二维积分结果以及实验值进行对比.计算结果表明,二维和三维计算结果均与实验数据基本吻合,通过CFD方法计算基于二维变形体入水的高速滑行艇水动力问题具有可行性.