基于ALE算法的V形楔形体入水的水动力特性分析

结构入水问题是一种复杂的流固耦合过程,涉及到固体力学、流体力学、冲击动力学和计算力学等相关力学分支的交叉与融合.论文基于非线性显式动力分析方法,采用任意拉格朗日-欧拉算法(水域采用欧拉描述,固体结构采用拉格朗日描述),并用罚函数方法控制结构与流体之间的耦合作用,对二维V形楔形体垂直入水的初期过程进行了数值仿真.通过数值仿真,分析了楔形体底部压力分布情况,讨论了网格密度、接触刚度以及阻尼系数对数值计算结果的影响,并将数值结果与Wagner理论解进行了对比分析,验证了ALE方法的可靠性.     

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。     

弹性楔形体入水砰击载荷及结构响应的理论计算与数值模拟研究

针对弹性楔形体砰击载荷及结构响应问题,采用理论解析计算方法以及任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合数值计算方法开展研究。分别分析不同边界条件、入水速度、板厚以及斜升角对弹性结构所受砰击力及结构响应的影响及变化规律,并探讨砰击载荷时间历程和物面分布特性。结果表明,通过增大斜升角可有效降低弹性楔形体砰击载荷和结构响应,斜升角自10°增大至30°,无量纲砰击力峰值减小至6.9%,结构变形极值减小至6.5%。可通过水弹性因数${ {R_{\text{F}}} = {C_{\text{B}}}\tan \beta \sqrt {EI/(\rho {L^3})} /v }$评估板厚、入水速度、斜升角以及边界条件对砰击载荷作用下结构水弹性效应的影响,在水弹性因数R_F＞1.71时,可采用理论解析方法高效高精度预报砰击载荷作用下弹性楔形体结构变形响应。

     

应用基于GPU的SPH方法模拟二维楔形体入水砰击问题

光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种无网格的拉格朗日效值方法,广泛应用于计算流体领域模拟复杂自由表面流问题.SPH方法的主要缺点就是计算量过大,而基于GPU的并行计算方法可使SPH计算得到有效加速.本文应用基于GPU的SPH并行计算方法研究了二维楔形体的入水砰击问题.数值计算结果与文献中对应的解析解比较一致,验证了基于GPU的SPH方法的精度和可靠性.仿真结果同时显示基于GPU的并行计算方法可使SPH计算速度得到显著提高.     

基于FPM方法的入水问题数值模拟研究

结构体入水作为一个高度非线性的冲击动力学问题,广泛存在于船舶海洋和军事等工程领域,因此,对该问题进行精确而高效的数值模拟是十分必要。采用有限质点法(finite particle method, FPM),结合无反射边界,数值模拟研究了二维结构体入水的动态过程。通过分析楔形体入水所受的垂向力、速度和压力,并与相关文献结果对比分析,验证了该方法的有效性。在此基础上,对不同工况下的入水问题进行了模拟,研究了不同尺寸、形状、初速度和质量等情况下,结构入水冲击时垂向力和速度随时间的变化规律,以及不同时刻下压力响应的变化趋势。研究结果表明：楔形体的底升角尺寸、结构体形状、入水初速度和质量等因素都会直接影响结构体入水的力学特性,为入水结构体的力学设计提供了参考。     

入水后爆炸问题的数值模拟技术

应用各种数值计算方法及计算处理技术,编制程序实现了对弹体入水后爆炸问题全过程的数值模拟.其中弹体与水,爆轰产物气体与弹壳之间的相互作用通过流固耦合技术来描述;水面与空气、爆轰产物与水、空气之间的相互作用采用VOF方法(Volume-of-Fluid)来描述;采用了刚体-柔体转换、单元失效删除等计算技术以更高效、更好地模...     

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。     

瞬态热传导问题的精细积分数值流形方法研究

数值流形方法（NMM）因其特有的双覆盖系统（数学覆盖和物理覆盖）在域离散方面具有独特的优势,而精细时间积分法则具有精度高、无条件稳定、无振荡以及计算结果不依赖于时间步长等特点。发展了用于研究二维瞬态热传导问题的精细积分NMM。结合待求问题的控制方程和边界条件,并基于修正变分原理导出了NMM的总体方程,给出了求解此类时间相依方程的精细时间积分及空间积分策略,选取了两个典型算例对方法的有效性进行了验证,结果表明本文方法可以高效高精度地求解瞬态热传导问题。     

功能梯度材料稳态热传导问题的数值流形方法研究

数值流形方法(Numerical Manifold Method,简称NMM)中特有的两套覆盖系统(数学覆盖系统和物理覆盖系统)使得其在分析问题时可采用与物理域边界不一致的数学覆盖系统。发展了用于研究功能梯度材料(FGM)二维稳态热传导问题的NMM。给出了控制方程和边界条件,介绍了NMM的基本概念,导出了NMM的离散方程,探讨了相关矩阵的求积策略,选取了两个典型算例对方法的可行性和精确性进行了验证,结果表明该方法可以很好地模拟FGM稳态热传导问题。     

非线性流体-刚体结构相互作用问题的一种数值模拟方法

给出了一种模拟非线性流体-刚体结构相互作用问题的数值方法.文中假定结构承受大的刚体运动,流体流动受非线性有粘或无粘的场方程支配并满足自由表面和两相耦合界面上的非线性边界条件,利用任意拉氏-欧氏(ALE)网格系统构造了数值模型.采用所探讨的多块数值格式,允许可动重造网格间有独立的相对运动,从而克服了流体网格与固体大运动匹配的困难.通过数值离散化,导出了描述非线性流固耦合动力学的数值方程并应用耦合迭代过程对其作了求解.通过算例,说明了所提出数值模型的应用.     

正交异性复合材料储液容器入水过程数值分析

采用多物质ALE流固耦合算法,对柔性储液容器的入水问题进行了仿真研究。该方法可以方便地考虑多种流体同时与结构耦合。首先,通过模拟平板恒速入水试验,验证了该方法的有效性,并确定了空气的影响。进而,仿真分析了复合材料柔性容器入水时的动态响应行为,结果表明,底部"空气垫"及容器内空气对冲击载荷具有一定的缓冲作用,容器底部形状、储液量等因素也具有较大影响。仿真得到的响应规律为容器的优化设计提供了重要的理论参考。     

入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模以技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.     

旋转射弹高速倾斜入水多相流场与弹道数值模拟

基于VOF多相流模型和有限体积法求解水、汽、气多相流动的RANS方程,结合重叠网格技术和six DOF算法对某一型号舰载射弹倾斜入水过程进行数值模拟研究。首先基于该方法研究了射弹旋转效应对射弹运动特性及流体动力特性的影响,然后对不同入水角下倾斜入水过程进行分析,得到不同倾角下旋转射弹入水空泡形态发展规律、弹体运动特征及流体动力特性变化规律。研究结果表明：射弹的旋转有利于弹体在初始对称面内的弹道稳定性,但会降低弹体侧向稳定性,使射弹受到的阻力系数、俯仰力矩系数变小;入水角越小,形成的空泡越不对称,由射弹运动状态的改变引起的空泡形态变化越明显,在超空泡航行阶段,弹体运动较稳定,不同角度下流体动力系数差别很小,当弹体下表面刺破空泡壁沾湿时,弹体运动状态发生较大变化,流体动力系数迅速增大,此时入水角度过小,弹体容易失稳;弹体的沾湿对空泡形态、弹体运动稳定性和流体动力特性有着重要的影响。

     

Incompressible SPH simulation of water entry of a free‐falling object

In this paper an incompressible smoothed particle hydrodynamics (Incom‐SPH) model is used to simulate the interactions between the free surface flow and a moving object. Incom‐SPH method is a two‐step semi‐implicit hydrodynamic formulation of the SPH algorithm and is capable of accurately treating the free surface deformations and impact forces during the solid–fluid interactions. For a free‐falling object, its motion is tracked by an additional Lagrangian algorithm based on Newton's law to couple with the Incom‐SPH program. The developed model is employed to investigate the water entry of a free‐falling wedge. The accuracy of the computations is validated by the good agreement in predicting the relevant hydrokinematic and hydrodynamic parameters. Finally, a numerical test is performed to study the influence of spatial resolution on the water entry features. The Incom‐SPH modeling coupled with the solid–fluid interaction algorithm could provide a promising computational tool to predict the slamming problems in coastal and offshore engineering. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Evolution of three-dimensional cavitation following water entry of an inclined cylinder

The water entry of an inclined cylinder is firstly studied experimentally for low Froude number. The cylinder is 50 mm in diameter and 200 mm in length, with a moderate length to diameter ratio. As it is submerged below the water surface, the cavity is fully three-dimensional. Due to the rotation of the cylinder caused by the initial inclined impact, the cavity evolution is quite complicated and a new phenomenon is revealed. The cylinder moves along a curved trajectory in water, which greatly affects the evolution of the cavities. The cavity breaks up into two sub-cavities, and finally collapses because of hydrostatic pressure.     

Underwater acoustics and cavitating flow of water entry

The fluid mechanics of water entry is studied through investigating the underwater acoustics and the supercavitation. Underwater acoustic signals in water entry are extensively measured at about 30 different positions by using a PVDF needle hydrophone. From the measurements we obtain (1) the primary shock wave caused by the impact of the blunt body on free surface; (2) the vapor pressure inside the cavity; (3) the secondary shock wave caused by pulling away of the cavity from free surface; and so on. The supercavitation induced by the blunt body is observed by using a digital high-speed video camera as well as the single shot photography. The periodic and 3 dimensional motion of the supercavitation is revealed. The experiment is carried out at room temperature. The project supported by the “BaiRen Plan” of Chinese Academy of Sciences     

钝体倾斜和垂直冲击入水时引起的超空泡流动特性实验研究

对4种不同头型的钝体、以不同初始速度在小倾斜角度和垂直状态下入水,所产生的空泡流进行了的实验观察,分析了不同工况下空泡产生和发展的特性。实验结果表明：对于倾斜入水及垂直入水,圆台头和平头(即空化器均为圆盘)实验体均能形成较稳定的入水弹道;初始入水速度较低时,空泡的闭合方式为深闭合;初始入水速度较高时,空泡的闭合方式为表面闭合,且运动速度衰减得更快。测量得知,钝体倾斜入水产生的空泡的前部外形轮廓与Logvinovich的半经验公式给出的结果相吻合。在垂直入水的情况下,调查了物体头部对空泡的起始点位置及其形态的影响。

     

Hydrodynamic behavior of an underwater moving body after water entry

An experimental study was conducted to investigate the water entry phenomenon. A facility was designed to carry out the tests with the entry velocities of around 352 m/s. Visualization, pressure measurement, velocity measurement and underwater impact test were performed to investigate the hydroballistic behavior of the underwater moving body, the underwater flow field, the supercavitation, etc.. This study shows that the motion of a high-speed underwater body is strongly three-dimensional and chaotic. Furthermore, it is found that the distribution of the trajectory deflection of the underwater projectile depends on the depth of water. It is also found by measuring the deformation on a witness plate submerged in water, that the impact energy of an underwater projectile is reduced as it penetrates deeper into water. The project supported by Japan Society for the Promotion of Science under a Grant-in-Aid for Scientific Research (C) (Grant No. 12650162)