基于SPH法的返回舱入水载荷模拟分析

返回舱水上着落前期面临较大砰击，为研究过程中受到的砰击载荷，基于光滑粒子流体动力学(SPH)气-液两相流算法，首先通过模拟平板和楔形体两种算例模型的入水过程，并与相关文献的试验结果进行对比，验证算法的有效性。在此基础上，对返回舱的入水过程进行模拟。结果显示，两种算例模型的计算结果与相关文献试验结果吻合良好。返回舱入水速度和倾角对砰击有较大影响并且过程中存在二次砰击现象。砰击载荷随入水速度增大而增加。第一次砰击载荷峰值随倾角增大而减小，第二次砰击载荷峰值随倾角增大先增后减。结果表明，SPH气-液两相流算法能够较好地模拟返回舱入水过程。     

空投鱼雷入水载荷

为了研究空投鱼雷的入水过程,首先分析入水过程中的受力情况进行数值计算;然后使用数值模拟软件Msc.Dytran建立鱼雷入水的有限元模型,计算入水过程中雷体所遭受的冲击压力及其在冲击面上的分布情况,并对不同入水速度和角度下冲击压力峰值、不同头部形状冲击压力峰值特点及鱼雷入水弹道做了分析与讨论,结果表明:鱼雷入水速度和入水角度会对鱼雷壳体所受载荷产生重要影响,研究结果可为预测鱼雷入水冲击载荷提供参考。     

无人机入水发射流场仿真及冲击特性分析

跨介质航行是近年来无人机应用领域的重要研究内容。本文通过数值模拟方法，对某型号飞翼式无人机在不同工况下发射入水过程流场演变及运动姿态进行对比分析，同时对其入水冲击响应进行了数值仿真研究，得到不同发射工况下无人机的入水冲击载荷响应情况。结果表明：该型号无人机入水过程的姿态变化同时受水面条件及发射工况影响，静水工况下以25°入水角、4 m/s的条件发射无人机入水时，可实现最优的姿态恢复时间及入水冲击载荷响应值。     

MPS方法数值模拟楔形体入水问题

入水问题是船舶海洋工程中典型的流动问题。当船舶在恶劣海况中航行或海洋平台遭遇恶劣天气时,结构物和水体之间往往会出现剧烈的砰击作用。砰击发生时,伴随着结构物湿表面的变化、自由液面的翻卷和破碎等强非线性现象。本文采用本课题组自主开发的基于移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-Implicit Method)的求解器MLParticle-SJTU对二维楔形体入水问题进行了数值模拟。选取斜升角为30°的楔形体模拟其入水过程,研究了不同粒子布置方式对于计算结果如垂向水动力和自由面变化的影响,并与MLM砰击模型(Modified Logvinovich Model)的结果进行了比较,吻合较好。在此基础上,进一步研究了不同斜升角对计算结果(垂向水动力和自由面变化)的影响,其中流动分离前的垂向水动力与MLM结果相近,表明了MPS方法能有效地模拟入水问题。     

旋转圆球入水空泡特性与流场结构的大涡模拟研究

圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值. 采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法, 对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟, 研究了转速对入水空泡演化、流场结构和水动力特性的影响. 采用动网格与滑移网格技术实现圆球的自由运动, 并基于试验结果对比验证了数值模拟的可靠性与正确性. 旋转运动的升力效应导致圆球入水弹道发生偏转并从水面携带横向楔形射流侵入空泡内部. 采用入水砰击速度与转速进行归一化分析, 结果表明入水转速的增加显著改变了圆球的动力特性: 水平方向的速度和位移以及升力峰值都随入水转速的增加而变大, 但升力峰值受到入水速度的限制; 而垂直方向的速度和加速度以及空泡断裂深度几乎不受转速增加的影响, 并且空泡深闭合发生前圆球转速变化不大. 入水转速的增加也使液面飞溅环和空泡断裂的非对称性增强, 在较低转速时发生空泡表面闭合, 而在较高转速时则发生空泡深闭合. 对于空泡深闭合模式, 入水转速的增加带来更强的横向楔形射流, 并且抑制了空泡断裂产生的高压以及相应涡结构的生成, 致使圆球在入水砰击阶段承受更低的侧向压力.      

前抛体对弹体入水载荷影响数值模拟研究

弹体穿过气-液界面时因密度突变会遭受强冲击载荷，出现结构损伤或破坏。为降低弹体入水的冲击载荷，基于Rabbi降载思想，提出了一种在主弹体前附加前抛体的结构形式。运用S-ALE (structured arbitrary LagrangeEuler)算法和罚函数流固耦合方法进行空泡形态和弹体运动状态数值模拟，数值模拟结果与弹体入水实验图像吻合，验证了数值模拟算法的有效性；随后研究了前抛弹体的入水角度、主弹体与前抛体的无量纲入水时间间隔参数、前抛体尺寸、主弹体与前抛体的入水初速度对降载效果的影响。研究结果表明，前抛体垂直入水时存在前抛体和主弹体碰撞现象，不利于降载，甚至可能给主弹体带来更大的载荷；前抛体斜入水时可避免两弹体间的碰撞，具有良好的降载效果，最大降载率可达90%。在此基础上获得了降载效果最佳的无量纲入水时间间隔范围为0.8～0.9，在此范围内主弹体的降载效果随前抛体尺寸的增大和入水初速度增加而提高。     

带环形密闭气囊弹体入水冲击过程的数值分析

针对带环形密闭气囊弹体入水冲击问题，基于LS-DYNA，运用控制体积法模拟环形密闭气囊，结合流固耦合算法，模拟了某弹体及附带环形密闭气囊入水过程。将入水过程分为弹体砰水、气囊着水、入水减速、水中悬停、缓慢上浮、上浮出水、水面漂浮7个主要阶段，对比分析了垂直与倾斜入水过程中不同阶段弹体和气囊的姿态变化、减速特性及入水深度等特征的异同。从气囊内压变化、流体对气囊的作用合力、气囊内压与入水速度的关系等方面研究了流体与气囊的相互作用，发现入水过程中气囊内压的变化主要受入水深度、运动速度、连接绳拉力等因素影响。通过计算不同初始内压条件下弹体的入水深度、减速时间及连接绳的拉力峰值，发现囊压越高，入水深度越小，减速时间越短，但是相应连接绳对弹体外壳的拉力峰值越大。因此，在进行入水回收气囊参数设计时，需要综合考虑缓冲效果、减速效果及气囊安全性等因素。     

空投鱼雷倾斜姿态落水冲击研究

利用轴长体假设和Ｔａｙｌｏｒ关于圆柱在不同浸深时的附加质量表达式，运用切片理论建立了空投鱼雷在其纵向平面内以倾斜姿态落水时的运动微分方程组，通过实例计算得到了空投鱼雷入水冲击时作用在其上的弯矩和剪力分布的规律，为理论预测空投鱼雷入水冲击时的强度破坏建立了基础。     

二维弹性结构入水冲击过程中的流固耦合效应

描述了一个研究弹性结构入水冲击过程中水弹性效应的数值方法,在弹性结构入水冲击过程中,流体域作用在结构上的水动力载荷由边界元法获得,而结构的弹性动力响应则由有限元方法求解,通过线性给离散Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程将有限元方程和边界元方程耦合到一起,从而获得了求解流场和结构动力响应的相互耦合的运动方程。在数值考虑了自由表面的非线性边界条件,通过引入射流单元以及最大射流厚度,较好地处理了冲击引起的射流问题。     

楔形体入水时域解的复边界元数值分析

基于速度势理论,利用复数变量边界元法对二维楔形体常速入水冲击的时域解进行了数值研究。 以相似解作为数值计算的初始条件,采用时域解射流线性近似处理方法,利用复数变量边界元法进行求解,以 减少计算量和数值误差。深入讨论了扩展坐标系求时域解、射流处理、网格划分和网格更新等关键技术。最 后数值计算了不同斜升角楔形体入水时的自由液面隆起、射流飞溅和压力分布,经与相似解结果作比较,自由 液面隆起轮廓基本吻合,而压力分布更符合实际情况,从而证明了模型及分析方法的正确性。     

超疏水小球低速入水空泡研究

物体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背景.物体在跨越自由液面入水的过程中,在一定的条件下,会向水中卷入空气形成空泡,空泡的运动还可能形成指向物体的射流,从而对物体的受力及其运动过程产生影响.超疏水表面能够在物体入水过程中形成多尺度流固耦合作用,进而影响物体的运动和宏观流动现象.而对于小尺度的小球低速入水问题,表面和界面力往往起主导作用.为了在更广的参数空间获得超疏水小球入水空泡类型和小球的运动特性,采用高速摄影实验方法,研究了半径0.175$\sim$10mm的超疏水小球低速入水及空泡动力学行为,获得了小球漂浮振荡、准静态空泡、浅闭合空泡、深闭合空泡和表面闭合空泡5种类型的动力学行为,探讨了这些运动行为与韦伯数We}和邦德数Bo之间的关系,并推导了小球漂浮振荡与下沉现象的无量纲关系.研究结果表明:超疏水小球的入水及空泡动力学行为主要与韦伯数We和邦德数Bo有关.在邦德数Bo $<$ $O$ (10$^{-1})$范围内,表面张力对流动的影响显著,随着韦伯数We}的增大,小球入水及空泡动力学行为依次经历漂浮振荡、准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合;在邦德数$O$ (10$^{-1})$<$ Bo} $<$O(1)$范围内,漂浮振荡现象不再发生;当邦德数$Bo>O(1)$后,浅闭合现象也不再发生;小球漂浮振荡与下沉现象的临界关系可以用相似律关系描述.      

回转体高速倾斜入水的流场特性及结构响应

回转体高速入水过程涉及液体和固体的耦合作用，是一个复杂的非线性、非定常过程。为研究回转体高速入水的结构动响应及流场演变规律，本文中基于STAR-CCM+和ABAQUS平台，建立了回转体高速入水的双向流固耦合数值模型，开展了不同入水速度的回转体高速倾斜入水流固耦合数值计算。结果表明:数值计算的入水速度、位移曲线和空泡形态与实验结果良好吻合，验证了流固耦合方法的有效性；回转体倾斜高速入水的载荷先集中在触水部分边缘处，后集中于回转体底部中心处；流固耦合方法的入水冲击载荷峰值小于刚体的，弹性回转体的载荷曲线产生明显波动；撞水阶段，回转体空泡呈现不对称形态，随着入水加深，空泡不对称性变弱；入水速度60 m/s下，空泡发生表面闭合，回转体入水初速度越快，空泡表面闭合越晚；冲击载荷与入水速度有关，入水速度越大，峰值出现越早，震荡越明显，速度超过100 m/s时，回转体产生塑性形变。     

刚体撞水非线性响应的边界元分析

考虑了非线性性液面条件液面条件,采用边界元法,始终撞水物体和水看成一个耦合系统,并作为一个冲击／接触问题处理。在自由注面的处理上,采用逐步迭代方法,使其始终满足液面的非线性条件,最终使自由液面达到一满足非线性条件的稳定值。而在撞水力的求解上,亦采用与自由液面相关的逐步迭代逼近方法,求取其稳定值。文中最后给出了几种不同情况下二维圆柱刚体撞水的计算实例,结果有力表明记叙虎法的可靠性和有效性。     

球体入水空泡演变和运动特性影响试验研究

为了探究表面粗糙度对球体入水空泡演变及运动特性的影响，基于实验室开放水槽试验系统，选取了5种表面粗糙度的球体，使用高速摄像机记录入水过程，并得到了各个球体的入水空泡、喷溅的演变过程以及运动特性的变化。发现入水空泡和喷溅的闭合都会给球体一个负方向的加速度。通过对比不同表面粗糙度球体的位移、速度、加速度曲线，发现表面粗糙度最大的球体在砰击阶段结束后，其速度会明显小于其他球体，并且表面粗糙度对球体运动的影响主要体现在入水早期。分析了上述各球体的入水空泡闭合后，与自由面相连的空泡的收缩运动，发现其收缩速度和加速度曲线均会出现极大值点，呈现出球体表面粗糙度越大出现得越早的趋势。     

航行体开槽包裹式缓冲头帽结构设计及其降载性能

针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷,可能导致的结构损坏、弹道失控等问题,提出了一种开槽包裹式缓冲头帽,用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先,给出了缓冲头帽的详细设计参数,基于任意拉格朗日-欧拉算法,建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型,并对该数值模型的正确性进行了验证。然后,在此基础上,研究了不同入水角度下,空泡流场的演变过程,分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后,探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明,数值计算所得空泡形态与实验图像基本吻合,且数值计算和实验测试所得的冲击加速度变化趋势基本一致,两者轴向加速度峰值相对误差为6.72%,径向加速度峰值相对误差为7.52%。航行体装备所设计的缓冲头帽以300 m/s的速度垂直入水时轴向降载率为22.17%;以100 m/s的速度60°入水时,轴向降载率为31.83%,径向降载率为66.80%。     

Experimental investigation of hydrodynamic loads and pressure distribution during a pyramid water entry

In the maritime environment slamming is a phenomenon known as short duration impact of water on a floating or sailing structure. Slamming loads are local and could induce very high local stresses. This paper reports a series of impact test results and investigate the slamming loads and pressures acting on a square based pyramid. In this study the slamming tests have been conducted at constant velocity impact with a hydraulic high speed shock machine. This specific experimental equipment avoids the deceleration of the structure observed usually during water entry with drop tests. Three velocities of the rigid pyramid have been used (10, 13 and 15 m s⁻¹). Time-histories of local pressures, accelerations and slamming loads were successfully measured. The relationship between the pressure magnitude and the impact velocity is obtained and the spatial distribution of pressures on pyramid sides is characterized. The impact velocity was found to have a negligible influence in predicting the maximum pressure coefficient.     

平头锥型回转体高速入水结构强度数值分析

为探究回转体在高速入水过程中的结构强度，基于非线性有限元LS-DYNA软件中流固耦合任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)方法，分析了不同壁厚的回转体以100 m/s的初速度入水过程中的冲击力特性和结构强度。结果表明:数值计算得到的入水冲击压强峰值和速度衰减曲线与相应的理论值吻合较好，从而验证了数值方法的有效性；入水冲击载荷峰值出现在结构入水瞬间，结构入水后冲击载荷急剧变小且微小震荡；回转体的结构形式对其在高速入水过程中的结构强度有重要影响，尤其回转体头部厚度影响回转体结构强度，当回转体头部厚度为8 mm、后体壁厚大于2.5 mm时，可以保证回转体强度要求。