高速跨介质入水多相流动与流固耦合特性研究综述

高速跨介质入水问题广泛存在于海洋工程、航空航天等领域,入水多相流动与流固耦合作用机理是该领域的研究热点,对于跨介质航行器的载荷预报、弹道稳定性评估、结构强度校核以及安全性设计等具有重要意义。本文围绕高速跨介质入水所涉及的基础关键力学问题,重点论述了高速跨介质多相流动与空泡演化、冲击载荷与降载方法、运动稳定性与流固耦合响应、流固耦合数值研究方法等方面的研究现状,并针对目前仍存在的问题提出了建议,旨在为高速跨介质入水的相关研究与设计等提供参考。     

染色标志弹入水砰击数值模拟

染色标志弹在入水冲击过程中破裂并释放出染料,该过程是一个包含了多重流固耦合效应并且需要考虑耦合面失效行为的非线性瞬态动力学问题。采用MSC Dytran,研究了标志弹的入水冲击行为,建立了多个弹体冲击动力学分析模型,通过对比分析,探讨了标志弹预设凹槽个数和位置、弹体入水速度和角度等参数对标志弹冲击过程的影响规律,揭示了标志弹最小入水速度、染料释放的裂口位置及大小与入水角的非线性关系,为标志弹结构设计和试验设计提供了理论参考。     

空化对航行器垂向入水特性影响机理研究

航行器以一定速度入水过程中将发生空化现象,这对其受力特性及运动轨迹都有重要影响,是跨介质航行器的关键问题。针对航行器不同速度垂向入水中的空化现象开展了数值模拟研究,采用整体运动网格方法,分析了航行器垂向入水过程中,空化和入水速度对运动特性及流场演化的影响。研究结果表明,超空泡主要从航行器外形斜率改变处开始生成,空泡的闭合与溃灭都会造成受力曲线的较大波动。超空泡的减阻效果主要在航行器完全进入水面后体现,且航行器垂向入水速度越大,阻力系数越小。     

返回舱入水冲击数值建模与响应分析

用仿真方法对返回舱入水冲击问题进行了研究,建立三维有限元模型。分别对返回舱以不同速度、不同质量入水的情况进行了计算,通过对计算结果的分析发现,冲击压力曲线能较好地和文献中的试验曲线相吻合,证实了仿真计算的可行性。     

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。     

跨介质航行器入水流固耦合特性研究综述

本文综述了跨介质航行器入水问题的研究进展,特别关注了入水流固耦合特性、弹性体结构入水冲击以及高速入水现象。入水过程涉及复杂的流体动力学现象,包括空泡形成、冲击载荷以及与航行体动力学特性的相互作用,这些因素都对航行器的设计和性能产生重大影响。本文讨论了跨介质航行器的基本概念,其具有独特的战略应用价值。入水过程中的关键挑战包括处理巨大的冲击载荷和复杂的流体动力学特性,这要求对航行器的形状、入水速度和入水姿态进行精密控制以优化性能。针对不同形状的航行体如何影响冲击响应和空泡动态,详细介绍了通过高速摄影和传感器技术在不同条件下进行的入水试验,这些试验帮助研究学者观察并分析了入水过程中的空泡形成、流体喷射以及随后的空泡闭合等现象。随着计算技术的进步,人们开始使用仿真技术研究多相流动和航行体结构的相互作用。总之,跨介质航行器的入水研究是一个多学科交叉的研究。通过深入理解入水过程中的物理现象和力学响应,可以为未来航行器的设计和操作提供科学依据,推动海空一体化航行器技术的发展。     

钝体入水时的水下声扬的测量

对钝体入水的水下声场进行了深入研究。在水中大约30个不同的测点上，测量了入水时产生的水中激波（声波）的压力，从而获得了激波的空间能量分布及其传播速度的实验数据。     

回转体倾斜入水空泡试验及六自由度数值计算研究

为研究回转体倾斜入水空泡及参数变化,基于低速入水试验装置和CFD软件对该问题进行了试验和数值仿真研究。通过试验对回转体倾斜入水的空泡演变进行研究,得到了不同时刻空泡形态图。数值计算选用基于N-S方程的雷诺平均(RANS)方法和基于k-ω的SST二方程湍流模型,建立了六自由度数值仿真方法。结果表明:数值计算得到的空泡形态与试验结果一致性较好,依次经历了撞击水面、空泡形成、颈缩、空泡断裂、空泡闭合、表面紊乱和空泡溃灭的过程。进一步分析发现速度、加速度和压力均在入水瞬间和空泡断裂时刻发生波动;偏转角度在回转体尾部刺穿空泡后增幅明显;随着入水角度增加,入水瞬间速度衰减加快、压力峰值增加,峰值出现越早,空泡闭合越难。     

高速平板着水数值模拟

探索和揭示物体入水冲击的流体力学现象与机理对飞行器水上迫降问题的研究有重要的参考价值。对高速平板着水涉及到的复杂物理问题展开数值模拟,采用有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程和标准k-ε湍流模型,流体体积(VOF)模型捕捉水气交界面,整体动网格技术处理平板与水面的相对运动。在二维楔形体入水冲击的算例验证基础上,详细研究平板高速着水引起流体喷溅、射流、空气垫等现象和平板底面压力变化历程,结果表明:空气垫现象明显,俯仰角4°平板下表面出现规律的空气泡,10°时则不存在;平板下表面的水体沿壁面运动,当俯仰角为10°时,壁面水体的运动速度显著增加;在大俯仰角的情况下明显出现负压区。