空投方舱入水静力分析研究

针对降落伞空投方舱入水问题进行了静力分析,以得到典型载况下的最佳入水角.确定了方舱主尺度及船型参数.首先,假定入水角,计算不同吃水深度下的静水力特性;然后,假定重心高度,计算艏部和艉部入水时的复原力矩,得到复原力矩曲面图谱;最后,通过计算超载、满载和空载3种典型载况下的倾覆力矩,进一步确定入水静力平衡曲线,得出3种典型载况下的最佳入水角.结果表明:在艏部入水时,超载下最佳入水角为38°,满载下最佳入水角在10°~90°,空载下最佳入水角为12°;在艉部入水时,超载下最佳入水角为58°,满载下最佳入水角为55°,空载下最佳入水角为51°.并可将结果用于约束其他载况下的最佳入水角.通过空投方舱入水角要求可约束某一载况下重心高度可行域,为后续设计和空投入水提供技术参考数据.

大口径锥头弹体高速倾斜入水偏转规律数值模拟

结合某大口径锥头弹体高速倾斜入水试验,采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)流固耦合方法对弹体倾斜入水偏转行为进行数值模拟,研究了弹体以500 m/s高速倾斜入水过程中不同受力模式、载荷变化特征以及弹体发生偏转的力学机理,分析了入水角度对弹体偏转规律的影响。结果表明:在俯仰力矩作用下,弹体均发生抬头方向偏转,且偏转速度呈现先增大后减小的趋势,偏转程度在不同入水角度范围内呈现不同的变化趋势。当入水角度小于15°时,弹体会发生“跳弹”现象;当入水角度为30°~60°时,弹体偏转趋势基本一致,均由初始倾斜状态逐渐转动至水平状态、竖直状态并最终以弹头入水反方向的“出水”姿态向水下运动;当入水角度为75°时,弹体转动至水平状态后,并未继续偏转至竖直状态,弹头以朝斜上方的姿态向水下运动;弹体的入水侵深随入水角度的增大而增大,且增大趋势近似满足指数函数关系。

基于OpenFOAM的无转角和有转角楔形体舱段入水砰击载荷数值模拟研究

合理预报船首局部结构砰击载荷是船舶设计和研究者重点关心的问题。文章针对无转角和有转角楔形体舱段入水砰击问题,采用OpenFOAM开源软件,开发了基于两相流求解器InterDyMFOAM数值模拟结构入水砰击的程序包,开展了预报研究工作。数值模拟了入水过程的压力和加速度时域响应历程,与入水砰击模型实验进行了对比分析,吻合很好。同时讨论了网格划分等对结果的影响和砰击的三维效应。结果表明,本文提出的入水砰击载荷预报方法计算效率高,具有推广应用到预报复杂三维船首结构砰击问题的潜力。

跨介质航行器入水过程数值仿真

航行器跨介质入水过程往往伴随着多相流、空化、相变及湍流不稳定性,不仅会加剧流场的复杂性,还使其所受的作用力呈现出较强的非定常性和非线性。文中建立了航行器入水过程的数值计算模型,采用流体体积模型捕捉气液交界面,使用Schnerr-Sauer模型对跨介质过程中产生的空化过程进行描述。对不同通气量和空化器倾角下的跨介质航行器入水过程进行仿真计算,研究了跨介质过程中的流场和空泡演化规律,分析并得到了航行器跨介质过程中的流体动力学特性以及运动特性。仿真结果表明,航行器在入水过程中会随着通气量的变化而呈现出2种不同的姿态变化模式:增角速度拉平模式和周期俯仰式拉平模式,不同模式下航行器的入水拉平过程会呈现不同运动特点;此外,空化器倾角的增加和通气量的降低可以提高航行器在跨介质入水过程中的姿态变化速率。

小煤柱沿空掘巷老空水防治技术研究与应用

为了解决特厚煤层沿空掘巷小煤柱工作面防治水难题,对防治水现场工作提供有效的指导,消除掘进过程中的安全隐患,提出构建小煤柱沿空掘巷井上下矿井水文联合监测安全保障体系,对采空区积水的水位标高、积水深度、积水量等信息进行实时监测;针对监测信息编制科学合理的疏放水设计方案,对采空区积水进行安全、高效、快速疏放。方案实施后,掘进所受到的临空水患影响消除,有力地保障了小煤柱巷道的安全掘进。

Experimental Investigation into Low-Velocity Water Entry of Cylinder Structure

The process of low-velocity water entry is utilized on a large scale for the military and engineering purposes. However, there are rarely systematic experimental investigations into the low-velocity water entry of cylinder structure for reference. In order to obtain typical phenomena and relevant laws, we design a set of experimental facilities with adjustable parameters and better repeatability to study this process with a high-speed photography system. The influences of cylinder radius, initial velocity and entry angle on the process of lowvelocity water entry are tested. Results show that six typical phases exist in this process: structure submersion,necking, cavity formation, cavity abscission, spray at the free surface and jet formation. Three factors mentioned above are key parameters and influence the process in different degrees, and some laws obtained in this paper have a reasonable agreement with the theoretical results. Our results provide references for the relevant numerical researches and engineering applications.

滑落式救生艇入水阶段运动响应数值预报研究

针对滑落式救生艇入水阶段涉及到固液耦合、自由液面变形等复杂水动力学问题,且入水过程极短现象难以捕获,本文基于雷诺时均方程,采用重叠网格技术处理大尺度运动问题,耦合求解救生艇前进、垂荡和纵摇3个自由度运动方程,构建了滑落式救生艇入水阶段运动响应数值预报方法,探讨了初始垂向速度、水平速度和纵倾角等参数对救生艇运动响应的影响,定量分析了艇体入水阶段垂向和水平加速度及速度变化规律、艇体入水深度与前冲距离、艇体纵倾角变化规律,数值结果可为实艇抛落、模拟训练系统提供可靠的理论和技术支撑。从安全性和快速逃离来看,救生艇入水的垂向速度不超过29 m/s,纵倾角不超过45°。

攻角对超空泡射弹波浪环境入水影响研究

为获取超空泡射弹不同攻角入水时的空泡演化与运动特性变化规律,基于RANS方程、Schnerr-Sauer空化模型、k-ε湍流模型,采用重叠网格技术,针对入水速度400 m/s不变,入水攻角不同时,静水与波浪环境下的超空泡射弹入水过程开展了数值模拟研究。研究结果表明:攻角大于2°时,弹丸将在入水过程中出现尾拍现象,尾拍时尾翼划破空泡壁,会造成空泡在此区域的扩张,并对弹道稳定性产生不利影响;尾拍现象发生时,阻力系数和升力系数均会上升,且攻角越大,上升的幅值越大;在波浪环境下,弹丸入水过程中仍然会发生尾拍运动,但与静水环境相比,在尾拍发生的时间上有一定区别。攻角为正时尾拍出现的时间提前,反之则尾拍出现的时间延后。

阶梯式圆柱射弹小角度入水弹道特性研究

圆锥圆柱外形射弹小角度高速入水过程中,入水初期空泡呈不对称性发展.随着入水角度减小,入水空泡发展不对称性现象加剧,使得弹体受到阶跃性突变力矩作用,导致其姿态角发生大幅度变化,严重影响射弹入水弹道稳定性,甚至出现入水跳弹现象.为了改善高速射弹小入水角度入水过程弹道稳定性,基于“空化器空化效应”原理提出了一种阶梯式圆柱外形射弹设计方案.通过流体体积多相流模型和动网格技术,建立超空泡射弹小角度入水数值计算方法,并通过入水试验验证了数值方法的有效性.对阶梯圆柱外形射弹与圆锥圆柱外形射弹以5°入水角的入水过程进行了数值模拟研究,得到了不同射弹外形空泡演化特性对水动力特性及弹道稳定性的影响.结果表明:阶梯圆柱外形能够加快初生空泡的发展并伴随多空泡融合现象,在0°攻角条件下,当空泡充分发展后,空泡尺寸未发生改变,在小攻角(5°)工况下,空泡对弹体的包覆面积增大,改善了射弹的升力性能;在小角度入水过程中射弹锥段空泡发展形态对入水稳定性具有重要影响,阶梯圆柱外形能够有效加快入水空泡的发展,进而形成有效抑制攻角持续增大的恢复力矩,提升了高速射弹小角度入水初期弹道稳定性.

入水角度对球体高速入水空泡特性影响研究

目的 针对球体高速入水过程中空泡的演化过程及运动特性展开研究,为弹体入水或空投鱼雷入水提供理论参考。方法 基于试验与数值模拟,主要讨论入水角度对球体高速入水过程中空泡生成、闭合、溃灭以及运动特性。结果 在球体入水过程中,根据入水空泡的形态特征,可以将入水过程分为入水冲击、空泡形成、空泡闭合和空泡溃灭4个阶段。在入水冲击阶段,球体头部承受的压力最大,且随着入水角度的减小,冲击阶段球体头部压力逐渐减小。在空泡闭合后,空泡的截面面积随着入水角度的增大而减小。在溃灭阶段,由于空泡溃灭夹断,会产生回射流,回射流的强度随着入水角度的减小而减小。在球体入水角度为30°时,溃灭夹断不会产生回射流。此外,球体以不同角度入水时,球体在水下的运动轨迹会发生不同程度的偏离,偏离程度随着入水角度的增大而减小,垂直入水时几乎未发生偏离。结论 入水角度对球体高速入水过程中空泡的演化过程及运动特性有较大影响,入水角度越小,球体入水后空泡截面积越大,总流动阻力系数Cd越大,且球体运动轨迹偏离越严重。

攻角对杆状弹体入水侵彻特性影响数值分析

为探究带攻角杆状弹高速入水的侵彻特性,采用LS-DYNA中的流固耦合算法,研究不同攻角下弹体速度、长径比对弹体入水后的剩余特性、空泡形状及弹体姿态的影响。结果表明:长杆弹入水后会发生弹体姿态翻转,经过一段时间弹体姿态稳定,而攻角较小时会发生二次翻转现象;长杆弹带攻角高速入水后弹头将产生非对称的墩粗侵蚀变形、整体塑性弯曲变形及2种变形模式的耦合;长径比小的弹体其破坏能力较小,弹道偏航较小,但姿态偏转较大;长径比较大的弹体破坏能力强,弹体姿态偏转较小,但弹道偏航距离较大;长径比越大的弹体对攻角的变化越敏感。

TRD小角度转弯施工技术研究

TRD止水帷幕施工技术在我国应用广泛,尤其在我国南方河流区域及沿海区域,北方地区应用范围较少。在TRD技术应用过程中,止水帷幕墙体多为直线和曲线,在转折点处需提起刀具调整方向后,再进行切割。基于北京城市副中心三大建筑大型基坑止水帷幕施工工程,针对转折点处连续施工进行研究,形成了小角度转弯成墙施工工艺。

圆柱体垂直入水空泡形态试验

在不同攻角和不同速度条件下,对圆柱形运动体垂直入水空泡形态进行试验研究.对140°锥角头型圆柱体在零攻角和带攻角条件下进行垂直入水试验,分析了低速垂直入水所引起的入水空泡生成、发展和闭合流动过程以及空泡稳定性等;利用平头圆柱体进行不同速度条件下垂直入水试验,分析了入水速度对空泡闭合方式和形态的影响.研究结果表明:在试验速度范围内均能形成稳定的入水空泡,并经历生成、充分发展、空泡闭合以及最后完全脱落的过程,不同发展阶段具有不同的稳定性,其闭合方式和形态与入水速度密切相关.

二维楔形体砰击载荷研究

利用Fluent软件研究二维楔形体结构的砰击问题,考虑外部大气压重力以及网格影响等因素,建立二维有限元模型,对不同斜升角的楔形体结构以不同的速度进行等速入水的情况进行计算。研究发现,最大砰击压力随着楔形体斜升角的增大而减小,随砰击速度的增大而增大。

高速射弹小角度入水弹道特性研究

研究高速射弹小角度入水过程中的空化现象和弹体运动规律.计算采用VOF多相流模型捕捉空泡界面,采用Schnerr and Sauer空化模型模拟空化现象,弹体运动通过6自由度方程与重叠网格技术进行求解.计算分析了弹体小角度入水过程中的弹道特性、空泡的演化规律及射弹的流体动力特性,初步探索了高速射弹的小角度入水时产生的弹跳现象.研究表明:此高速运动的旋转射弹在小角度入水时,弹体轨迹和姿态容易发生很大的变化,空泡形态不对称,弹体大面积沾湿导致弹体受到很大的流体动力和力矩,弹体运动失稳产生弹跳翻转现象.分析表明,弹体小角度入水容易沾湿,沾湿对流体动力及其运动姿态有着极大的影响,弹体的不对称沾湿是超空泡射弹失稳的重要原因.

海水散射引起激光脉冲传输延迟的研究

将经典电子散射理论运用到光子散射研究中去 ,分析了海水散射效应引起的水下激光脉冲传输延迟效应 ,并采用小角度近似处理方法 ,推导出了传输延迟时间表达式 ,为机载激光测深系统中的实时测深误差校正提供了重要依据。

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明:运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。

预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性研究

为了研究预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性,开展了入水角为20°时的试验研究。超空泡航行体由空气炮加速获得入水初速度,采用高速摄像机记录入水空泡流型,同时由内测系统记录航行体的运动参数和尾部压力变化。对预置舵角为0°和20°时的试验结果进行对比分析,给出了预置舵角下航行体倾斜入水弹道特性,并进一步研究了不同预置舵角对弹道的影响。试验结果表明:预置舵角为0°时航行体以超空泡状态沿直线运动;预置舵角为20°时出现显著的尾拍现象,轴向力和法向力增大,弹道特征体现为偏向水面弯曲,航行体最终以双空泡状态航行,弹道偏转趋势提升;增大预置舵角有助于增强航行体的弹道偏转能力。

运动体小扰动下入水空泡试验研究

针对运动体入水空泡问题,采用模型试验方法,在试验水箱中开展约束和不约束运动体姿态的入水试验。研究了有无扰动下的入水局部空泡与入水超空泡生成、发展下的空泡流动特性。分析了有无扰动下的空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了有无扰动下的入水空泡长度的变化规律,探讨了试验获得的各种空泡流动的机理。结果表明:无扰动下入水空泡长度在深水闭合之后有微小增加,有扰动下空泡迎流面的长度比无扰动长度要短,背流面的长度比无扰动长度要长;无扰动时空泡尾部流动对称,有扰动时空泡尾部在背流面出现分裂的2条流动轨迹;对于没有发生深水闭合的空泡,入水扰动主要使得空泡直径增大。

柱体大攻角入水弹道建模与仿真

基于CFD计算获得了柱体大攻角入水过程流体动力特性,进而建立了大攻角入水弹道模型,使用流场-弹道耦合计算结果验证了模型的适用性和精度,然后仿真分析了入水攻角和速度对入水弹道的影响规律。该模型能较准确地预测柱体大攻角入水弹道,对研究发射平台安全性问题和空投鱼雷等入水攻击性武器的入水弹道预测问题等有较强的指导意义。