带空泡航行体附加质量的数值研究

基于雷诺平均N-S方程和均匀平衡流多相流模型对带半圆球空化器的航行体进行数值模拟,通过捕捉升力曲线来计算不同空化数下的附加质量λ22.研究发现航行体的空泡长度随着空化数的增加而减小,其附加质量系数λ22随着空泡长度的增加而增加,变化关系可以根据空泡长度分为三段.此外,对于做摇荡运动的航行体,升力系数的振荡幅值与附加质量λ22的变化呈正相关关系;同时,响应相对于激励具有滞后效应,并在小空化数时对λ22的计算结果产生较大影响.     

考虑水弹性影响的水下航行体结构动响应研究

考虑水弹性的影响,计及惯性力、水动力和弹性力之间的相互耦合作用,将水动力学方程和结构动力学方程联合求解,采用三维势流理论和边界元法推导并计算了水下航行体结构的附加质量矩阵,对带空泡水下航行体出水过程中的结构动响应问题进行了分析.      

空化器出水非定常垂直空泡的研究

对空化器朝水面高速运动产生的非定常垂直空泡进行了理论研究. 建立了受水面和重力影响下的水下垂直空泡长度变化数学方程, 从方程中导出了非定常垂直空泡长度计算公式, 利用公式计算了空化器出水后空泡从脱落、收缩到溃灭的时间. 对带空化器的航行体, 公式还可以计算脱落空泡溃灭高压作用在航行体上的位置, 最后给出了避免溃灭高压作用在航行体上的条件和判据.     

超空泡航行体转弯运动流体动力特性的数值研究

基于有限体积法,采用两流体多相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,建立了用于求解超空泡航行体转弯运动过程中的三维数值模型,研究了转弯运动条件下通气空泡的形态特征及超空泡航行体的流体动力特性。计算结果表明:在转弯运动过程中空泡产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道基本重合;由于空泡的弯曲变形航行体两侧表面呈现非对称沾湿,利用空化器横向偏转能够避免沾湿区的出现,而且对航行体水平面流体动力有良好的控制作用。     

超空泡航行器升沉运动流体动力特性研究

基于Rayleigh—Plesset方程的单一介质可变密度Mixture模型,采用动坐标系法完成了对带空泡航行器作升沉运动时空化流场的数值模拟,并分析了该状态下航行器流体动力特性变化规律,对升沉运动频率和幅值对航行器流体动力系数的影响以及升沉运动对航行器自主运动弹道的影响进行了对比研究。研究结果表明,升沉运动过程中,航行器流体动力系数出现周期性变化,增加升沉运动频率和幅值不仅将导致航行阻力和升力增大,同时会造成阻力系数和升力系数幅值波动加剧;升沉运动使航行器速度及角速度出现周期性震荡。本文结论为研究超空泡航行器动力学建模、附加质量计算及弹道设计奠定了基础。     

基于CFD方法的超空泡航行体弹道特性研究

基于计算流体动力学软件 CFX,通过二次开发实现多相流 URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程和刚体纵向平面运动学方程的耦合求解,建立了三维超空泡航行体动力学仿真模型.研究了空化器偏角、水平尾翼偏角、航行体质心位置对弹道特性的影响.仿真结果表明:高速运动条件下无控超空泡航行体具有稳定性;空化器或水平尾翼的小角度偏转(-3°~3°)能够有效调节航行体的弹道参数,通过空化器偏转控制航行体最终稳定于空泡中心,避免航行体表面沾湿区的出现;质心位置的小幅后移有利于维持航行体水平直线航行,在超空泡航行体的设计中应予以重点考虑.     

航行体出水破冰的多场耦合效应与相似律

航行体出水破冰中的耦合效应及载荷特征, 是出水冰结构安全性评估的重要依据. 针对航行体出水破冰问题, 通过量纲分析, 获得了影响航行体动载荷及头部应力的主控参数和相似律. 基于LS-DYNA流固耦合计算方法, 得到了航行体在不同冲击速度、冰层厚度、冰层大小条件下的载荷特性. 计算结果表明, 航行体速度越大, 不同冰层对其过载和头部应力的影响差别越大, 这主要是因为航行体速度越大, 通过水介质对不同冰层的前期破坏程度不同. 对于无限大冰层, 当其厚度大于3倍航行体直径时, 航行体穿冰后期呈现稳定侵彻现象, 航行体的过载和头部应力只与航行体的速度和冰的动力学性能相关; 而对于薄冰, 航行体速度越大, 其头部应力反而越小, 这是因为航行体初速度越大, 其通过水的运动对冰的前期冲击破坏越严重, 冰层易开裂上鼓, 所以造成航行体头部应力较小. 对于径向尺寸为6倍航行体直径的碎冰, 当其厚度大于5倍航行体直径时, 碎冰对航行体运动特性的影响和无限大冰层几乎相同; 而当其厚度小于3倍的航行体直径时, 只有在初速度较低时, 碎冰的尺寸效应才可以忽略. 此外, 对比碎冰和无限冰层对航行体运动的影响可以看出, 越厚的冰受前期水的冲击破坏越小, 碎冰和无限冰层的影响规律基本一致; 而较薄的冰在前期水的冲击下破坏严重, 碎冰和无限冰层对航行体运动的影响都较小; 只有中等厚度的冰, 在较高冲击速度下碎冰和无限冰层才表现出径向尺寸效应相关的破坏程度, 如无量纲厚度为3的两种冰在航行体较高初速度40 m/s的条件下前期破坏差别较大, 导致后期对航行体运动特性的影响具有显著差异.      

细长体倾斜出水的实验研究

为了获得细长体倾斜出水空泡生成、发展及溃灭过程,基于高速摄像系统对细长体小倾角倾斜出水过程进行了实验研究。通过对比细长体垂直及倾斜带泡出水过程,分析了倾斜出水过程中体现出的新特征及其影响因素。在此基础上,对不同初始倾角及细长体头型对出水轨迹及姿态的影响规律进行了实验研究:细长体姿态及轨迹变化与其初始倾角并非线性相关,与肩空泡的闭合位置密切相关;细长体头型变钝,其水下运动过程稳定性增加。     

基于ALE方法的航行体高速入水缓冲降载性能数值研究

针对航行体高速入水过程中的降载问题,设计了缓冲组件模型,并采用有限元任意拉格朗日-欧拉（ALE）的流固耦合方法,建立精确数值计算模型,对安装缓冲组件的航行体高速入水问题进行数值计算分析,获得入水过程中缓冲罩壳与缓冲泡沫的动态破坏过程及航行体运动参数,从而分析不同缓冲方案的缓冲性能。结果表明已设计的缓冲组件在航行体入水时能够吸收一定的冲击能量发生破坏并及时脱离航行体,同时缓冲泡沫的分层设计改变了缓冲罩壳的破坏方式,使罩壳破坏时间提前;撞水时在罩壳的头部与预设沟槽处会出现明显的应力集中,并且罩壳的沟槽设计能有效的引导其破坏形态,分层后的缓冲泡沫不易完全破坏,出现了二次缓冲的现象;缓冲组件使航行体入水速度曲线变化更加平缓,相同时间内航行体位移更大,分层缓冲泡沫方案降载率可达73.2%,缓冲效果较单层泡沫方案更好。     

超空泡航行体前部线形对空泡生成临界通气量影响的实验研究

基于航行体超空泡理论和格兰威尔线形设计方法,设计了三种具有不同前部线形的航行体模型.并针对所设计的三种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在水洞中进行了生成超空泡临界通气量的实验研究.结果表明:航行体前部线型对超空泡临界通气量的影响程度与航行体的轴向斜率分布有关,模型表面斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于减少超空泡生成所需的临界通气量.实验数据显示设计的三种格兰威尔前部线型航行体与锥形前部外型航行体相比,生成超空泡临界通气量都有明显减小,最大减小量达24%,为降低超高速航行体超空泡生成所需的临界通气量提供了一条技术途径和研究方法.     

基于最大熵方法的水下航行体结构动力响应概率建模

水下航行体结构承受的水动力外载荷具有显著的时空分布不确定性,其引发的结构动力响应,诸如结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置等也由此产生了不确定性;同时,水下航行体的动力响应还会因其连接或分离结构的拉压刚度不同而出现非线性特征. 为了在水动力外载荷样本有限的基础上,分析水下航行体结构连接非线性对动力响应统计特性的影响, 利用水下航行体结构的简化动力学模型,计算了水动力横向载荷作用下响应的样本统计矩,采用最大熵方法实现了动力响应的概率建模. 在分别求出结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置的概率密度函数后,通过与蒙特卡洛模拟结果对比验证了最大熵方法拟合的响应概率密度函数精度;而后,基于这些结构响应概率密度曲线讨论了系统连接非线性参数变化对结构动力响应的影响. 最终得出如下结论:连接非线性会导致结构在只有横向力的作用时产生的轴力响应,并且最大轴力概率密度函数峰值会因连接结构非线性程度增大而逐渐增大;连接非线性对不确定性传播有显著影响,当连接非线性比较强时,输入正态分布的载荷所得到的内力响应不是正态分布的;最大内力响应的发生位置也会受到连接非线性程度的影响. 上述结果可以为结构优化提供技术支持.      

柔性长鳍波动推进动力学分析

以基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为背景,研究了“尼罗河魔鬼”柔性长鳍的波动推进动力学原理．首先基于鳍条正弦摆动的假设,建立了鳍面波动曲面模型,然后根据抗体理论的基本思想及修正后的流体假设分析了柔性长鳍波动的推力产生机理,并获得其动力学模型,最后通过仿真手段,得到了试验模型的仿生柔性长鳍鳍面波动引起的流体动力及力矩公式,为仿生水下机器人的动力学分析和控制系统设计提供了理论依据．     

船舶碰撞数值仿真的附加质量模型

根据船舶碰撞的运动滞后和局部损伤特性 ,采用附加质量处理流体 结构耦合作用 ,用详细的有限元模型表达撞击船首和被撞船侧的直接涉撞区结构 ,而将非碰撞区的船体结构视为刚体 ,形成一个附加质量模型用于碰撞仿真计算。附加质量模型不仅建模工作量小 ,而且CPU时间也大大减少。算例表明 ,附加质量模型与流固耦合模型的分析结果具有良好的一致性 ,可以满足一般的工程精度要求。     

Flow structures of gaseous jets injected into water for underwater propulsion

Gaseous jets injected into water are typically found in underwater propulsion,and the flow is essentially unsteady and turbulent.Additionally,the high water-to-gas density ratio can result in complicated flow structures;hence measuring the flow structures numerically and experimentally remains a challenge.To investigate the performance of the underwater propulsion,this paper uses detailed Navier-Stokes flow computations to elucidate the gas-water interactions under the framework of the volume of fluid(VOF) model.Furthermore,these computations take the fluid compressibility,viscosity,and energy transfer into consideration.This paper compares the numerical results and experimental data,showing that phenomena including expansion,bulge,necking/breaking,and back-attack are highlighted in the jet process.The resulting analysis indicates that the pressure difference on the rear and front surfaces of the propulsion system can generate an additional thrust.The strong and oscillatory thrust of the underwater propulsion system is caused by the intermittent pulses of the back pressure and the nozzle exit pressure.As a result,the total thrust in underwater propulsion is not only determined by the nozzle geometry but also by the flow structures and associated pressure distributions.     

Similarity research of anomalous dynamic response of ship girder subjected to near field underwater explosion

The final anomalous sag distortion of the ship girder subjected to the near field underwater explosion (undex) below the middle ship is studied. The sinking exercise of Spruance class destroyer DD973 sunk by one MK48 torpedo is first presented, and a simulation model is established. The exponential attenuation phase, the reciprocal attenuation phase, the post reciprocal attenuation phase, and the negative pressure phase of the undex load are precisely applied in this model. The fluid-solid interaction, the added water mass, the gravity, and the change of buoyancy are also taken into account. The similarity theory is then used to analyze the dynamic response of the ship girder. Similarity parameters and theory prediction formulae of the dynamic response of the ship girder are presented. The physical meaning and influences of these similarity parameters are analyzed.     

基于表面设计减阻的水下航行体模型实验与数值分析

针对水下航行体高速航行时提高航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。进行表面设计使旋涡流动加强导致局部空化从而产生壁面附着的微气泡,以降低流体粘性系数,伴随近壁面湍流结构的改变来实现一定幅度的减阻。设计并进行轴对称体模型在高压循环水洞中的空化现象观测和阻力测量并做了相应条件下的数值计算。。实验和数值结果分析的基本结论比较一致:某种特征表面形貌在湍流中有一定幅度的减阻,局部空化效应在中低流速下牺牲压差阻力而导致航行总阻力升高,在高流速条件下则降低总阻力。     

潜射导弹出水过程响应分析

水下点火发射的导弹出水运行过程中与反馈的流体形成相互作用的流固耦合问题。 工程方法计算导弹的附连水质量，从而得到了考虑汉固耦合影响以后的导弹出水的自振特性及动力响应结果。     

Interface damage and its effect on vibrations of slab track under temperature and vehicle dynamic loads

This paper presents a three-dimensional finite element model to investigate the interface damage occurred between prefabricated slab and CA (cement asphalt) mortar layer in the China Railway Track System (CRTS-II) slab track system. In the finite element model, a cohesive zone model with a non-linear constitutive law is introduced and utilized to model the damage, cracking and delamination at the interface. Combining with the temperature field database obtained from the three-dimensional transient heat transfer analysis, the interface damage evolution as a result of temperature change is analyzed. A three-dimensional coupled dynamic model of a vehicle and the slab track is then established to calculate the varying rail-supporting forces which are utilized as the inputs to the finite element model. The non-linearities of the wheel–rail contact geometry, the wheel–rail normal contact force and the wheel–rail tangential creep force are taken into account in the model. Setting the maximum interface damaged state calculated under temperature change as the initial condition, the interface damage evolution and its influence on the dynamic response of the slab track are investigated under the joint action of the temperature change and vehicle dynamic load. The analysis indicates that the proposed model is capable of predicting the initiation and propagation of cracks at the interface. The prefabricated slab presents lateral warping, resulting in severe interface damage on both the sides of the slab track along the longitudinal direction during temperature drop process, while the interface damage level does not change significantly under vehicle dynamic loads. The interface damage has great effects on the dynamic responses of the slab track.