摘要：高速跨介质入水问题广泛存在于海洋工程、航空航天等领域,入水多相流动与流固耦合作用机理是该领域的研究热点,对于跨介质航行器的载荷预报、弹道稳定性评估、结构强度校核以及安全性设计等具有重要意义。本文围绕高速跨介质入水所涉及的基础关键力学问题,重点论述了高速跨介质多相流动与空泡演化、冲击载荷与降载方法、运动稳定性与流固耦合响应、流固耦合数值研究方法等方面的研究现状,并针对目前仍存在的问题提出了建议,旨在为高速跨介质入水的相关研究与设计等提供参考。

摘要：跨介质航行体高速入水涉及非定常多相流动,具有很强的理论研究意义和工程应用价值。为获得航行体高速入水空泡壁面的运动特性,对回转体模型高速入水开展试验研究,分析不同激励效果对空泡演化特性的影响,提取极值位移与姿态角和空化数双自变量的关系并进行曲面拟合。试验结果表明:垂直入水时,自由液面以上的喷溅环以及自由液面以下空泡壁面的相对位移近似对称;非垂直入水时,迎流侧喷溅环显著大于背流侧喷溅环;空化数为0.0085~0.0088时,以能量传递与空化为主的正激励主导迎流侧空泡壁面极值位移,且姿态角越小,正激励效果越强;3倍直径深度位置以下时,吸气效应负激励效果相对空化效应正激励效果可以忽略,在极值位移曲面中,背流侧呈现近似对称性,迎流侧呈现近似线性。

摘要：波浪条件下航行体高速入水的载荷特性是影响该类航行体总体方案及结构设计的关键因素。采用流体体积多相流模型和动网格技术建立高速入水数值模拟方法,通过试验验证计算方法的准确性和适用性,并分析入水角度和波浪参数等因素对高速入水轴向载荷的影响规律。结果表明:轴向冲击力系数峰值随着入水角度增大而增大,且与入水角的正切函数值呈线性关系;不同波浪相位改变了入水时刻航行体与自由面的实际夹角,90°、270°相位入水时轴向冲击载荷与静水面入水时差别不大,0°相位入水时轴向冲击载荷峰值最大且与静水面时相应入水角下的轴向冲击载荷基本一致,180°相位入水时轴向冲击载荷最小,但易发生跳弹现象导致入水失败;波浪环境下航行体的实际入水角应为入水点处波倾角与航行体姿态耦合值,其轴向力系数峰值可通过平静水面环境下入水冲击载荷峰值系数曲线插值获得。

摘要：扩张尾裙是影响跨介质航行器高速入水转平弹道及其稳定性的关键因素.采用流体体积多相流模型和动网格技术,建立了跨介质超空泡航行器高速入水多相流场弹道耦合计算方法,并通过试验验证了计算方法的准确性和适用性.通过对跨介质航行器高速入水转平过程进行数值模拟研究,获得尾裙外形对航行器入水转平过程中空泡发展形态、流体动力特性与弹道特性的影响,并分析尾裙扩张角度对高速入水转平弹道的影响规律.结果表明:不同预置舵角下的无尾裙外形航行器在入水转平过程中,攻角持续增大,最终导致弹道发散,带尾裙外形航行器在入水后尾裙沾湿形成了恢复力矩,获得了稳定的入水转平弹道;设计的1.5°,6°,8°尾裙角度的航行器形成了稳定滑水、单侧尾拍以及双侧尾拍3种弹道特征,且均能实现稳定高速入水转平弹道;稳定滑水弹道原理为预置舵角与尾裙滑水耦合作用下达到的动态平衡,该弹道综合阻力系数最小,转弯效率最高,动载荷最小,是跨介质航行器高速入水的理想弹道转平形式.

摘要：针对跨介质枪弹,利用ANSYS/LS-DYNA软件开展高速垂直入水过程的数值模拟,通过与常规步枪弹入水过程数值模拟结果对比分析了多环境枪弹高速垂直入水时空泡形态、弹道轨迹与流体动力特性变化规律。研究结果表明:多环境枪弹采用平头多梯度锥体加空化槽的设计方案,有利于减少弹头入水过程的压力,可形成包裹弹头的超空泡,减少了跨介质入水过程中的弹头入水阻力,增加了水下有效射程,在水下作战时具有明显优势。研究成果可充实弹药设计理论,为武器优化提供理论参考。

摘要：火箭助飞鱼雷会遭受入水带来的恶劣跨介质力学环境,本文基于均质平衡流和VOF多相流理论建立气-液-汽三相耦合流动数学模型,并通过嵌套网格技术,实现多相流与6-DOF结构体动力学耦合的高速入水分析,研究气/液相可压缩性对结构体高速入水载荷的影响,并进一步分析不同入水速度(100~300 m/s)和不同横升角(10°,40°)对应的流体可压缩性影响,从而对可压缩性的影响行较全面的分析,研究结果有助于清晰认识高速入水过程流体可压缩性的作用机理,可用于指导相关的降载头型及缩比试验等设计。

摘要：结构高速入水涉及非定常、可压缩、湍流以及多介质耦合作用等过程,具有强非线性的特点,长期以来一直是研究的难点问题。本文以平头锥回转体为研究对象,针对入水撞击和开空泡阶段的流固耦合问题,采用光滑粒子流体动力学(SPH)和有限元方法 (FEM)耦合方法建立回转体入高速入水流固耦合计算模型,进行100 m/s初速度条件下回转体垂直入水数值计算并对方法的有效性进行验证。结果表明,该方法可以有效解决入水冲击流固耦合数值仿真中由于液体介质不连续变形导致的计算适应性问题,可以有效捕捉入水过程中液面变形和飞溅情况,计算得到回转体高速入水过程中的运动特性、压力峰值、结构动态响应以及空泡形态情况,分析不同入水速度对入水过程的影响,研究结果可为结构物高速入水设计提供技术支撑。

摘要：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。

摘要：射弹高速入水过程涉及弹体运动与空泡之间的相互作用,具有强烈非线性。针对超空泡射弹入水过程开展数值仿真研究,采用基于重叠网格的计算流体力学技术建立超空泡射弹入水过程的数值模拟方法,对射弹带不同初始攻角斜入水过程中的受力与运动特性、空泡与流场演化进行分析,获得了初始攻角对弹体运动及其与空泡相互作用的影响规律。结果表明,所得研究成果可为超空泡射弹的设计工作提供技术参考。

摘要：航行体在入水过程中会受到强烈的冲击载荷,研究高速入水的降载技术,保证航行体安全可靠的入水具有十分重要的意义。数值模拟基于有限元方法,采用耦合欧拉拉格朗日求解器研究缓冲装置的降载特性,通过对比数值结果与圆柱入水实验,验证数值方法的有效性。对不同相对密度的泡沫铝的缓冲效果进行了对比,得到了一定入水速度下降载效果随泡沫铝相对密度不同而变化的规律。讨论了最优泡沫铝材料的参数随入水速度不同而变化的趋势,阐述了不同入水速度下泡沫铝材料参数的优化设计要点。表明缓冲材料的性能直接影响到航行体缓冲装置的降载效果。这些结论将有助于防撞结构以及受入水冲击结构的设计。