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。     

回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间，有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制，提出了一种基于岩石HJC （Holmquist-Johnson-Cook）模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性，并在此基础上，通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟，分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明：插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足，且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤，能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例，根据数值模拟结果，填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显，破碎区比例半径为0.26 m/kg^1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^1/3。随着硐室尺寸的增大，空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用，比例半径达到0.52 m/kg^1/3时，可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

开放空腔壳体倾斜入水运动特性试验研究

基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律.通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响.结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.     

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。     

超弹性球体入水过程空泡演化及球体变形实验

超弹性材料是工程实际中常用的材料,具有很强的非线性力学性能.将超弹性材料应用于入水问题是一个新的跨学科研究方向.与传统的刚性球体入水现象不同,超弹性球体入水后极易发生变形.为了探究该大变形的入水流固耦合问题,本文采用高速摄像方法,对超弹性球体垂直入水问题开展实验研究.基于实验结果,对比分析了球体材料属性和入水冲击条件对入水空泡流动及球体变形行为的影响.实验结果表明,超弹性球体入水后产生嵌套空泡现象的条件是需要足够大的入水冲击条件和小的材料剪切模量.嵌套空泡产生和保持的时间与球体的剪切模量和直径有关.超弹性球体的入水位移及其形成空泡的长度随入水冲击速度和剪切模量的增大而增大,却随球体直径的增大而减小.入水冲击速度的增加只会加剧球体的变形程度,而不影响嵌套空泡的产生时刻.同时,本文对球体的变形行为随弗劳德数和剪切模量与水动力之比的变化特性进行了描述与研究.     

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。     

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。     

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.      

回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

为探究周向通气对回转体入水表面载荷的影响，基于VOF(volume of fluid)模型和Realizable k-ε两层湍流模型，开展了周向通气回转体低速入水流场演化数值预报和表面载荷特性分析。通过将数值预报的空泡形态与试验结果相对比，验证了所采用的数值方法的有效性，并分析了不同通气率对空泡形态、流场特性和表面载荷特性的影响。结果表明，通气会改变回转体入水空泡演化过程以及侧壁表面压力，在通气作用下空泡第一次脱落时间延缓，并且通气气体流向空化器后方负压区，改善了空化器后方的负压情况；其次，通气气体在通气口附近形成了明显的涡结构，之后与壁面处由空化器形成的涡融合，增强了空泡中部的涡流强度；最后，通气率越大，空泡闭合时间越晚，空泡体积越大，尾部空泡越不容易发生脱落，同时通气会减缓回转体表面的压力波动，通气率越大压力波动越小。综合分析可以认为，侧向通气对于回转体低速入水流场及表面载荷特性有一定的改善作用。     

开放空腔壳体倾斜入水运动特性试验研究

基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律. 通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响. 结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.