基于SPH/FEM方法的浅水冲击喷溅及其抑制结构研究

物体浅水冲击会造成结构响应和自由液面的剧烈喷溅,以往的研究多集中在物体受水的冲击响应方面,而对浅水层受物体冲击引起的剧烈喷溅问题及其喷溅抑制结构的相关研究很少。本文基于SPH/FEM耦合方法对浅水冲击的液体喷溅特性开展研究。首先,计算了刚性长方体结构的冲击喷溅,与文献中准二维溅水试验结果进行了比较,将浅水喷溅分为初始喷溅、二次喷溅和底部射流三部分。分别研究了各部分喷溅的形成机理,指出二次喷溅由结构对水层的挤压和底部射流的能量传递共同引起,并分析了水深对二次喷溅的影响规律。其次,对喷溅抑制结构的机理做了数值研究,发现拱形翻边构型可以抑制初始喷溅,但不能有效降低二次喷溅。最后,提出了一种带凹槽和阻水边条的新型翻边构型,对二次喷溅具有更好的抑制效果。

积水跑道飞机翻边轮胎溅水机理研究

轮胎滚动引起跑道积水飞溅进入发动机将导致发动机喘振甚至熄火,已有的飞机滑跑试验和经验证明采用具有翻边设计的轮胎可减小溅水与地面的夹角,减小发动机进水的可能性,但对翻边抑制溅水相关机理的研究仍十分匮乏。采用有限元软件LS-DYNA中的SPH/FEM耦合方法对翻边轮胎溅水机理开展分析计算。首先改进了轮胎数值模型和加载方式并验证了模型的有效性,研究了翻边轮胎溅水随滑跑速度的变化规律。其次基于特征位置水粒子的速度变化,分析了翻边抑制溅水的作用机理,通过比较不同深度水深的溅水速度分布说明翻边的作用。最后基于翻边高度和角度对轮胎溅水影响的研究,对优化的翻边构型进行了探索。

SPH方法研究空气在平板入水中的影响

飞机水上迫降以及船体在高速行驶时,均会发生结构物砰击水面的现象,当结构物底面较为平坦,砰击水面时会捕获空气,在板底形成空气垫。研究空气垫的形成及影响,有助于对结构物进行更准确的载荷分析。该问题的研究涉及到气固液三相的相互作用,在数值模拟中仍是一个挑战,本文使用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对该问题进行模拟。首先,与实验结果进行对比;其次,系统地研究了平板形成空气垫以及砰击水面的过程,考查了空气、水和平板的动能变化。对比了在SPH模拟中考虑空气与不考虑空气得到的水压力场和平板所受压力,说明了空气对结果的影响;最后,研究了平板宽度对空气垫形成的影响,从而进一步影响加速度。

吸喷结合式水翼水动力及空泡性能的数值分析

以NACA0012为研究对象,采用2种湍流模型对翼型绕流进行模拟,通过与实验值对比,确定了合理的湍流模型.分别计算分析了船用水翼添加前缘抽吸作用、后缘喷水作用、吸喷结合作用后,升力系数、阻力系数和升阻比的变化情况,结果表明,船用水翼在微吸水、喷水或吸喷结合作用下均提升了翼型的升阻比,起到了增效的作用.开展了翼型在无吸喷、单吸口、单喷口及吸喷结合形式下的定常与非定常空泡流动的数值模拟,计算结果表明,前缘吸水可以抑制空泡的发展,尾部喷水却会使翼型空泡分布扩大化,吸喷结合形式较为适中;针对翼型的3种改进均使空泡周期增长,可抑制单位时间内空泡云的脱落,减少对水翼表面的剥蚀.

粗糙圆柱水平入水的界面流动分离特性试验研究

针对具有微米级颗粒的粗糙圆柱水平入水开展试验研究,通过以高速摄影为工具的流动显示技术研究了粗糙圆柱以不同初速度入水后,水与圆柱表面的界面流动发生的几何形态、运动的变化,对流动分离位置进行了较准确的测量.研究表明,粗糙表面会导致圆柱入水时气-固-液三相接触线出现锯齿形失稳,接触线速度明显降低,液面更容易与圆柱表面分离.其次,对液面分离的影响因素开展研究,发现随着表面颗粒尺寸减小和单位面积的颗粒数目增加,分离角呈现先增大后减小再增加的变化规律;随着入水速度的增加,分离角度减小,界面流动更容易发生分离.最后,通过对不同粗糙表面静态及动态接触角的测量,对粗糙表面动态接触角滞后特性与入水界面流动分离的相关性问题开展了研究.

轮胎滚动溅水与垂直入水相似性分析

飞机在积水跑道上滑跑时,轮胎溅起的水可能进入发动机,导致发动机出现掉转、喘振甚至熄火等现象.以往对机轮溅水问题的研究主要采用全机溅水试验的方法,这样的试验价格昂贵,且得到的有效数据有限.首先,通过对轮胎溅水机理的分析,根据流动相似理论以及切片法思想,阐述了轮胎滚动溅水与垂直入水的相似性.然后,使用LS-DYNA商业软件分别建立了基于SPH-FEM耦合方法的弹性带翻边轮胎滚动溅水与垂直入水模型,根据数值计算结果分析了两系统中侧向喷溅的形成机理,并对比了两种侧向喷溅的正视溅水形态、溅水速度以及翻边的作用效果.结果表明,当两系统中轮胎速度存在一定对应关系时,两种侧向喷溅的正视形态存在相似性.最后,根据这种相似性提出了采用轮胎垂直入水试验研究机轮溅水形态的新方法,为该问题的研究提供了新的思路.

飞机轮胎溅水鸡尾流特性数值模拟

当飞机起落架的多轮经过涉水跑道时,除侧向溅水之外,在轮胎之间由于两股侧向水流汇聚,会形成类似公鸡尾的溅水形态,称之为鸡尾流。相比于轮胎的侧向溅水,鸡尾流成因复杂,且水量更大,溅水高度更高,可能对飞机安全造成更严重的危害。采用数值分析方法对飞机轮胎溅水产生的鸡尾流现象成型机理开展研究。根据轮胎几何结构特点建立飞机轮胎溅水模型,其中轮胎及跑道采用FEM方法建模,积水模型采用SPH法,给出了鸡尾流的形态和速度分布,通过与侧向溅水形态分布的分析与比较,揭示了鸡尾流溅水的形成机制,并研究了水深、轮胎间距、轮胎速度等因素对于鸡尾流形态以及速度分布的影响规律,初步验证了ESDU工程算法对于无翻边轮胎鸡尾流形态描述的可参考性。