基于全非线性边界元法的楔形体入水冲击载荷特性研究

在兵器入水、飞行器迫降水面等结构物入水冲击问题属于强非线性流固耦合问题,计算时网格的划分重构、数值稳定与传递,以及射流根部的数值准确求解,通常制约着计算模拟的成败。本文中建立了一套满足全非线性边界条件的冲击载荷理论预报方法,通过引入拓展坐标系,有效解决了非线性自由液面上网格重构和数值传递的问题;通过引入辅助函数解耦了时域下的运动方程,准确求解了每个时间步下楔形体的速度、加速度和冲击压力,以二维楔形体为研究对象,通过开展落体试验验证了本理论方法的有效性。研究结果表明:流体重力对冲击压力具有显著影响,45°底升角楔形体的入水冲击压力主要分布在1.6倍入水深度的半宽区域内,压力峰值和次峰值一般发生在楔形体的尖端和射流根部;楔形体的冲击压力对较小底升角极为敏感,定量描述了二者之间的非线性关系;壁面效应与入水初速度无显著相关性,但底升角越小壁面效应越显著,45°底升角楔形体入水深度小于水域深度的1/3时,壁面效应尤其明显。研究结果为冲击载荷的理论研究和工程应用提供了参考。