波浪环境下圆柱体入水的数值模拟研究

航行体入水问题因其具有重要的军事应用价值而受到广泛关注,海洋波浪环境往往对入水过程的流体动力特性产生重要影响。该文通过数值模拟手段研究水体存在规则波时的圆柱体入水过程,利用VOF算法对气液两相界面进行捕捉,使用速度边界造波法在求解域生成有效的规则波,通过滑移网格方案控制圆柱体平动和转动。研究了倾斜角度入水的圆柱体在不同波高和波长组合以及不同入水速度下的多相流场和弹体的动力学特性。空泡在不同相位入水时将显著受到速度场的漂移作用,除了初始相位之外,随着圆柱体的水平位移,还将受到下一个相位速度场的影响,不同漂移方向使得空泡演化展现出不一样的特性。该文定义了一个无量纲数A/gk/V_(0)表征波浪运动和入水行为的相对大小,在入水的早期阶段可以有效量化入水的空泡行为。相对入水速度被初始相位的速度场改变,在跨越相位区域时又会发生变化。在考虑的所有工况中,A/gk/V_(0)对入水抨击荷载展现出很好的正相关性。

头部喷气圆柱高速入水空泡与降载特性的数值模拟研究

圆柱状航行体高速入水降载问题方面的研究具有重要的军事意义。该文采用数值模拟方法研究了头部喷气圆柱体的高速入水过程,考察了不同喷气量和入水角度对入水载荷、喷气空泡和弹道特性的影响。研究表明,引入喷气机制可以大幅降低圆柱头部的最大砰击载荷,且喷气量越大则降载效果越好。研究发现,高速大喷气量垂直入水过程存在独特的反复多次喷气液冠、砰击射流以及心形空泡现象。圆柱头部最大压力与喷气量呈近似线性关系,而入水深度则与喷气量呈负相关。对于喷气斜入水过程,相同喷气量下,入水角度越小则喷气空泡的非对称性越强,相应的入水载荷也越小。圆柱所受合力随时间推移呈现周期性变化,周期随着入水角度减小而增大。