半疏水-半亲水球体垂直入水空泡数值仿真研究

采用流体体积多相流模型耦合连续表面力模型,对具有非对称表面润湿性的半疏水-半亲水球体垂直入水空泡形态发展过程进行数值仿真,分析了半疏水-半亲水球体垂直入水过程中受到的流体动力。研究结果表明:半疏水-半亲水球体垂直入水后,产生非对称入水空泡及"心"型喷溅,同时球体运动轨迹将偏离原竖直运动轨道,由疏水半球一侧向亲水半球一侧偏斜;入水初期,在球体表面形成液体薄层运动,在疏水半球一侧,液体薄层与球体表面分离,导致空气进入形成敞开空泡;在亲水半球体一侧,液体薄层沿球体表面向上运动最终在球体顶点汇聚;液体薄层汇聚后形成楔形流,楔形流在球体顶点与球体表面分离,继续向疏水半球一侧产生的入水空泡壁面运动并撞击,形成"心"型喷溅。     

锥头圆柱体高速入水空泡深闭合数值模拟研究

考虑入水过程的空化效应,基于有限体积法和流体体积（VOF)方法求解气、汽、液三相流动的RANS方程,并引入动网格技术,对小型锥头圆柱体高速自由垂直入水问题开展了数值模拟研究,得到了入水空泡演化过程以及深闭合过程空泡流场的流动特性和压力分布特性。将入水弹道及空泡形态的数值结果与理论分析结果进行了对比,验证了数值计算结果的正确性。对入水空泡深闭合的研究结果表明,高速条件下入水空泡的深闭合发生在面闭合之后、自由液面以下较深位置,空泡在深闭合后迅速溃灭。同时,在空泡内外多相流场的相互作用下,空泡壁尚未完全收缩至轴线便已闭合,闭合区域出现高压区,压力极值始终出现在空泡分离点处直至空泡溃灭。     

膜态沸腾阶段球体入水空泡及流体动力特性

基于高速摄像实验方法，对膜态沸腾阶段球体、球体为室温时的亲水性表面球体和超疏水性表面球体垂直入水过程进行拍摄，得到入水空泡演化图像，通过对图像进行处理得到球体入水深度变化曲线。基于计算流体力学方法，采用流体体积多相流模型、耦合蒸发-冷凝相变模型，对球体入水过程进行数值仿真，仿真结果与实验结果具有较好一致性。膜态沸腾阶段球体入水过程中空泡与流体动力特性的研究结果表明：膜态沸腾阶段球体入水可以产生与超疏水性表面球体类似的光滑空泡；超疏水性表面球体表面与空泡壁面的接触线位于球体中心略偏上位置，膜态沸腾阶段球体底部与水之间存在一层水蒸汽膜，空泡壁面与球体表面不发生接触，球体附近空泡直径相对较大；当入水较浅时亲水性表面球体阻力系数相对较大，当入水较深时超疏水性表面球体和膜态沸腾阶段球体阻力系数相对较大。     

低亚声速射弹垂直入水的流体与固体耦合数值计算研究

基于多物质的任意拉格朗日-欧拉-拉格朗日流体与固体耦合算法,考虑水的可压缩性,建立了低亚声速射弹垂直入水的流体与固体耦合计算模型。对低亚声速射弹入水时空泡、流场与弹道间的多介质耦合问题进行了数值计算,得到了不同入水条件下入水深度、速度变化曲线和空泡面闭合、空泡深闭合时间。模拟了高速射弹入水后的空泡演化过程,得到了射弹初始入水速度对空泡面、空泡深闭合时间的影响规律以及射弹加速度、应力、应变响应。将阻力系数数值计算结果与经验公式计算结果进行了比较,二者吻合良好,表明该数值计算方法是可行的。     

运动体小扰动下入水空泡试验研究

针对运动体入水空泡问题,采用模型试验方法,在试验水箱中开展约束和不约束运动体姿态的入水试验。研究了有无扰动下的入水局部空泡与入水超空泡生成、发展下的空泡流动特性。分析了有无扰动下的空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了有无扰动下的入水空泡长度的变化规律,探讨了试验获得的各种空泡流动的机理。结果表明:无扰动下入水空泡长度在深水闭合之后有微小增加,有扰动下空泡迎流面的长度比无扰动长度要短,背流面的长度比无扰动长度要长;无扰动时空泡尾部流动对称,有扰动时空泡尾部在背流面出现分裂的2条流动轨迹;对于没有发生深水闭合的空泡,入水扰动主要使得空泡直径增大。     

旋成体高速入水可压缩性影响研究

针对目前高速（≥100 m/s）跨水-气体界面多相流数值模拟中空化效应和水介质可压缩性影响等问题,建立一套高速入水数值模拟方法。以旋成体为计算模型,采用剪应力传递(SST) k-ω、 标准(Standard)k-ε、重整化群(RNG)k-ε及可实现(Realizable) k-ε 4种湍流模型进行数值模拟,得到速度衰减与入水深度随时间变化的结果及入水1 ms时的空泡形态,并与理论解比较。基于SST k-ω湍流模型与文献［15,17］实验开展对比研究,选取入水速度50 m/s、100 m/s、200 m/s、400 m/s、800 m/s进行计算。研究结果表明：采用SST k-ω湍流模型的数值模拟结果与理论解一致性最好,入水速度衰减、空泡发展与实验结果基本一致,证明该方法的有效性;在入水速度≤100 m/s时, 液体可压缩性对入水冲击载荷基本没有影响;在入水速度≥200 m/s时,随着入水速度增加,液体可压缩性对入水冲击载荷影响越大,会弱化入水冲击载荷及延缓最大载荷出现的时间;在考虑液体可压缩性时,空泡形态有收缩现象;入水速度越大,入水过程速度衰减越快,加速度值在入水初期较大;在计算模型周围被超空泡包裹的航行阶段,随着入水深度增加,加速度逐渐减小,加速度的变化逐渐平缓。     

回转体垂直入水过程数值模拟

针对回转体垂直入水流体动力问题,基于RANS方程、VOF多相流模型和动网格技术进行数值模拟分析,通过试验结果对数值计算模型进行验证,获得垂直入水过程中自由液面及物体表面附着空气泡的发展演化过程,研究回转体不同入水速度对流体动力分布特性的影响,为工程设计提供借鉴与参考。     

基于耦合欧拉-拉格朗日算法的航行体缓冲头帽冲击性能

航行体在入水过程中会受到强烈的冲击载荷,过高的冲击载荷极易造成结构破坏和内部设备失灵,研究结构高速入水降载技术具有十分重要的意义。设计一种以预制裂纹碳纤维材料作为外罩、泡沫铝作为内部缓冲材料的缓冲头帽。基于有限元方法,采用耦合欧拉-拉格朗日求解器研究缓冲头帽的降载效果,通过对比数值结果与小球入水实验图像验证数值方法的有效性。分析在不同入水速度和入水角度条件下,缓冲头帽的抗冲击性能、损伤模式以及空泡的发展过程。结果表明：缓冲头帽撞击水面后沿着预制裂纹破碎,泡沫铝压缩吸能;随着自由液面以下的空泡不断向外扩张,破碎的头帽贴着空泡内壁向四周散开;缓冲头帽对于不同入水速度和入水角度的航行体有着良好的降载效果,在最恶劣的垂直入水条件下降载率可达75%以上。     

回转体高速垂直入水冲击特性研究

回转体入水过程不仅影响其运动轨迹,而且将引起回转体壳结构以及内部元器件的动态响应。本文利用大型商用软件MSC.dytran数值模拟技术,对圆盘尖拱头型回转体最危险的入水状态,即垂直入水过程进行了数值仿真,得到了此回转体垂直入水的冲击特性,以及垂直入水初期的弹道特性、轨迹与入水超空泡。分析结果将对此回转体头部壳体强度设计、提高抗冲击性能、入水弹道设计以及水中布放位置研究都具有重要的参考价值。     

预置舵角对跨介质航行体入水尾拍运动影响试验

为研究预置舵角对跨介质航行体高速入水过程尾拍运动特性的影响，搭建高速入水试验平台并设计带有内测单元的试验模型，开展入水角为20°时不同预置舵角下跨介质航行体高速入水试验研究。采用高速摄像机记录入水空泡，同时由内测单元测量航行体的运动参数和表面压力，分析预置舵角对跨介质航行体高速入水过程中空泡发展特性、入水运动特性以及表面压力的影响规律。试验结果表明：跨介质航行体入水过程中先后经历滑行运动阶段和尾拍运动阶段，尾拍形成的法向过载最高可达滑行产生法向过载的2倍；入水距离约5倍航行体长度时，入水空泡形成闭合，泡内压力在闭合前后呈先降低后增大的变化趋势；入水空泡闭合时，随着预置舵角增大，形成的附体空泡与主体空泡发生分离，在预置舵角为10°时，空泡尾流出现双涡管现象；预置舵角越大，跨介质航行体入水转平/偏转能力越强，当形成单侧尾拍运动后，航行体爬升效率提升。     

跨介质航行体高速入水空泡壁面运动特性

跨介质航行体高速入水涉及非定常多相流动,具有很强的理论研究意义和工程应用价值.为获得航行体高速入水空泡壁面的运动特性,对回转体模型高速入水开展试验研究,分析不同激励效果对空泡演化特性的影响,提取极值位移与姿态角和空化数双自变量的关系并进行曲面拟合.试验结果表明:垂直入水时,自由液面以上的喷溅环以及自由液面以下空泡壁面的...     

基于流固耦合的航行体高速入水规律研究

针对航行体高速入水过程中的流固耦合问题,采用有限元软件LS-DYNA中基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)的流固耦合方法,首先对美国MK25鱼雷模型的入水过程进行动态模拟,获取模型入水过程中的冲击效应和随时间变化的过载,得到不同时刻的流固耦合形态,验证了仿真方法的有效性。然后针对某航行体模型的质量、缩比效应、速度、入水角度等因素进行了仿真研究,结果表明决定高速入水过载的最重要因素是入水速度,入水角度对过载的影响相对较小,分析缩比结果验证了缩比定律的有效性。     

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明：运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。     

不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究

为研究射弹头型对低速倾斜入水空泡及弹道特性的影响,基于高速摄像方法,开展不同头型射弹低速倾斜入水对比试验,得到了射弹头型对入水空泡、运动速度、俯仰角和阻力系数的影响规律。试验结果表明：同一入水时刻,空泡直径随着头部锥角增加而增大,半球头型射弹入水空泡直径小于锥角头型射弹;锥角头型射弹速度衰减速率随着锥角增加而增大,半球头型射弹速度衰减率小于锥角头型射弹;入水过程中半球头型射弹俯仰角变化最为剧烈,弹道稳定性也较差;不同头型射弹在入水过程中运动参数呈现出较强的非线性特性。     

基于ALE方法的弹性圆柱壳入水时的流固耦合模拟

为了获得头型及材料弹性对圆柱壳入水过程中头部变形、压力分布、入水空泡形态及入水运动状态的影响,采用ALE方法,基于有限元软件ANSYS\LS-DYNA,对平头、120°锥角、90°锥角弹性圆柱壳的入水过程进行了数值模拟,对平头弹性圆柱实体和平头刚性圆柱壳进行计算,并对模拟结果进行对比。结果表明:入水过程中空泡直径随着锥角的增大而增大,锥角越大,圆柱壳上表面的变形越大,最大变形出现的时间越早:平头弹性圆柱壳在0.1 ms时出现最大变形0.84 mm,120°锥角弹性圆柱壳在0.3 ms时出现最大变形0.54 mm,90°锥角弹性圆柱壳在0.5 ms时出现最大变形0.43 mm; 下表面受到的压力越大,圆柱壳的速度衰减越快; 平头圆柱壳下表面的变形与振动频率大于上表面; 上表面的变形是由惯性引起的,下表面的变形是由流体冲击力引起的。     

回转体低速串联入水空泡及运动特性试验研究

为研究回转体串联入水过程中的空泡演化及运动特性,基于高速摄像及时序释放系统,开展了不同入水初始间距的回转体低速串联入水试验。利用图像处理技术对采集图像序列中的回转体运动进行识别提取,得到入水初始间距对回转体的入水空泡、纵向位移及偏转角的影响规律。试验结果表明：较小入水初始间距的回转体串联入水过程中,两运动体的空泡结构及尺寸均受到影响;随着入水初始间距增大,回转体串联入水过程中依次出现碰撞扰动、封闭空腔扰动、过渡扰动与弱扰动4种运动模式,在不同的运动模式中,两运动体的空泡及运动特性存在较大差异,其中碰撞扰动模式对回转体的运动特性影响最大。