基于粒子法的球体入水过程及击水声学特性研究

摘要

船艏入水、救生艇抛落、空投鱼雷的缩尺比试验等过程，均会导致流体介质与结构物之间的发生强烈的耦合作用，同时也面临着结构损坏、落点定位等问题；入水过程中的流体动力及声学特性的研究对结构设计、声学定位起着重要作用。因此，本文结合光滑粒子动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法对二维球体入水问题进行了一定的探究，主要开展了以下工作： 首先，根据光滑粒子动力学方法的两种不同表达法：积分表示法及粒子表达法；再结合流体力学基本方程，推导了控制方程的粒子表达式，给出了边界处理方法；基于开源软件，编制了二维球体入水计算程序，随后通过经典的例子验证了算法的可行性。 其次，建立了二维刚性球入水的数值模型，讨论了SPH方法中对计算结果影响比较重要的参数（光滑长度、初始粒子间距、CFL数），分析各参数取值对数值计算结果及其相对误差的影响，在综合考虑计算精度及效率之后，确定各参数的取值范围。 最后，开展了对球体低速入水的数值模拟，模拟了球体在不同速度、不同半径、不同密度及不同间距的情况下的入水过程。结果表明入水速度对入水过程影响最为明显，小球的相对密度对入水过程影响仅次于入水速度，小球半径对入水过程影响相对较小；击水声强级与入水速度、相对密度以及半径之间存在较为明显的线性关系。

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