波浪条件下小型回转体高速入水动力学特性研究

采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法,建立了刚体入水六自由度响应模型,实现了波浪环境下小型回转体高速入水过程的数值模拟。对波浪环境下小型回转体高速入水过程中的运动姿态、冲击载荷进行讨论分析,结果表明：波浪条件下入水点相位不同,导致回转体实际入水角不同,实际入水角越大,入水冲击载荷越大,弹道越稳定;实际入水角越小,入水冲击载荷越小,弹道越易发生失稳。本研究表明,入水点相位对小型回转体弹道特性和冲击载荷产生影响,进而为波浪条件下跨介质武器低载稳定入水提供基础性技术支撑。     

高速射弹小角度入水弹道特性分析

为了研究高速射弹小角度入水空泡发展与弹道特性,开展了入水角度为20°时的高速入水试验研究。高速射弹由空气炮加速获得入水初速,利用高速摄像实现对入水空泡形态的记录,由内测单元记录射弹入水过程的运动参数。试验发现入水初期形成了光滑透明的空泡,射弹以超空泡状态近直线弹道运动;由于横滚角速度和俯仰角速度的存在,射弹入水后形成了尾拍+旋转滑水耦合运动特征。基于VOF多相流模型和空化模型,结合动网格技术,对试验工况进行数值仿真。结果表明：仿真获得的空泡形态、弹道特性与试验结果吻合度高,该方法可有效预报入水弹道。     

空投航行体入水弹道建模与控制策略研究

空投航行体入水弹道控制问题一直是空投航行体研究的重点,针对空投航行体入水弹道控制问题,建立了航行体的六自由度非线性动力学和运动学模型;根据入水弹道对姿态控制的要求,通过设计基于PID控制三通道姿态控制策略解决其入水控制问题,并且通过MATLAB进行仿真验证。结果表明：在不同的初始入水条件下,本文研究的控制策略都能够较好地对航行体入水深度及姿态进行控制,具有一定的实际应用价值。     

水中兵器空投入水冲击仿真分析

水中兵器空投入水瞬间,在强大的水流冲击作用下,弹体结构会承受较大载荷。首先采用近似理论分析了弹体垂直入水时的最大载荷,然后采用LS-DYNA对弹体空投入水过程进行了模拟仿真分析,包括垂直入水和倾斜入水。计算结果显示:仿真分析能很好地模拟弹体入水冲击过程,有较高的准确度,相比于近似理论分析,模拟仿真可用于各种头型弹体入水冲击计算,以及各种姿态的入水动态变化过程模拟分析,具有更广的应用范围。     

锥形振荡浮子入水冲击问题的数值模拟研究

锥形振荡浮子在波浪能转换装置中应用非常广泛,在其服役期间,由于较小的设计吃水深度或为防避极端海况的需要,它们经常会离开水面;当其再次入水的时候,浮子底部就会受到入水冲击。入水冲击总是伴随着巨大的冲击压强以及冲击载荷,会导致浮子的结构性及疲劳性破坏,从而影响浮子的工作寿命。基于Fluent软件对锥形浮子的入水冲击过程进行了模拟仿真,研究了具有不同斜升角的锥体在入水冲击过程中所受的冲击压强、冲击载荷、冲击速度的时空变化规律,以及各冲击参数之间的关系。结果发现:(1)锥形浮子在入水瞬间的毫秒量级时间内受到极大的冲击压强和冲击载荷;(2)最大压强出现在锥顶点处,且锥顶点压强和锥表面压强之间的差距随着入水深度的增加而逐渐减小;(3)锥顶点压强峰值早于冲击载荷峰值而出现,并且两者之间的时间间隔随着锥体斜升角的增加而增大;(4)其他条件不变时,斜升角越小的锥体其所受的入水冲击越大。     

超空化发展初始阶段通气空化非定常流动特性研究

为了进一步了解通气超空化发展初始阶段的流动特性,采用实验与数值计算的方法对绕锥头回转体通气超空化发展初始阶段的流场结构进行研究。 结果表明:反向射流使附着在回转体肩部的透明空泡破灭,在反向射流与通气气体共同作用下,附着空泡内部形成一个大尺度旋涡结构,此旋涡结构与主流相互作用逐渐分裂成多个小尺度的旋涡结构,最终形成脱落空化涡。     

考虑挡板对空化脱落的抑制效应数值分析

激波和回射流是空化脱落的两种主要机制,在相同攻角下,空化数越大,回射流对空化脱落的效果就越明显。为了研究长度不同、布置方式不同的挡板对空化回射流和空化脱落的抑制效应,分别在平板和水翼的吸力面添加挡板,用来阻挡逆流而上的回射流,从而观察空化脱落的情况。数值模拟采用一种新修正的稳定化SST k-ω湍流模型,空化模型则选取了比较常用的Schnerr-Sauer空化模型。研究结果表明：在水翼吸力面布置恰当的挡板可以以较小的阻力代价换取巨额的升力提升,从而提高升阻比,提高水翼的效率,同时挡板的存在可以有效地减小片空泡的脱落和云空化的产生。     

楔形物体在静水与波浪中自由入水砰击试验研究

通过自由落体的入水方式,分别在静水和规则波中开展了两种不同横剖面的曲面楔形体入水砰击问题试验研究。使用高速摄像系统记录楔形体入水过程流场演变和运动特性,采用加速度传感器和压力传感器进行数据的动态采集。试验结果表明,在静水中入水时,外凸剖面楔形体入水砰击后模型两侧的射流飞溅比反曲剖面更剧烈,而在楔形体前端的水面以下部分形成的气腔更小;在规则波中入水时,对于相同模型,在波峰和上跨零点相位下模型入水砰击后两侧的射流飞溅比在波谷相位更剧烈。相同工况时,反曲剖面模型所受砰击的加速度峰值和压力峰值更小;在相同的入水速度下,对于相同模型,波浪载荷和砰击载荷的共同作用会使模型所受砰击压力显著增大。     

不同形状振荡浮子入水冲击的实验研究

振荡浮子在波浪能转换装置中应用非常广泛,在其服役期间,由于较小的设计吃水深度或为防避极端海况的需要,它们经常会离开水面;当其再次入水的时候,浮子底部就会受到入水冲击。入水冲击总是伴随着巨大的冲击压强以及冲击载荷,会导致浮子的结构性及疲劳性破坏,从而影响浮子的工作寿命。本文对锥形、半球形和横圆柱形三种形状的浮子入水冲击过程进行了实验研究,分析了浮子表面压强和冲击加速度的变化规律。主要结论如下:(1)在巨大的水阻力作用下,入水瞬间三种浮子表面压强急剧上升,迅速达到最高峰值;之后由于空气垫的作用,压强出现二次峰值现象。(2)在空气垫的作用下,三种浮子的最高压强峰值均未出现在浮子的最低点处,而是出现在外围某处。(3)三种浮子在触水瞬间的加速度均达到hm/s~2的量级,而后急剧下降,并在较短时间内达到一平衡值并沿其小幅震荡。(4)横圆柱形浮子由于其非垂直轴对称性,其表面压强和加速度的震荡更加明显。     

楔形体在波浪中自由入水的数值模拟

物体入水时波浪的影响不可忽略,基于流体力学模型采用VOF法,并利用自定义函数,模拟了楔形体的自由入水过程;同时结合推波板原理及海绵层消波理论实现了数值水槽的造消波,完成了波浪中楔形体自由入水的模拟,计算了楔形体入水时所受的水作用力、自由液面变化及物面压强分布等,研究了不同波高、周期以及在波浪不同位置入水时对楔形体的影响。结果表明:本文建立的数值模型可很好地模拟楔形体入水造成的射流及空泡的形成发展过程,波浪对楔形体入水的影响主要由波浪内部流场变化及表面波形决定,在波浪不同位置处入水对楔形体受力及入水形态均有较大影响。