物体入水的自由面效应研究

摘要

物体入水问题是一类十分复杂的强非线性冲击动力学问题。它具有广泛的研究背景和深刻的研究意义。深入研究物体入水问题，发现物体入水过程中各个物理量的变化规律，以此为基础去改进物体内部结构强度或者物体外表面型线，以减小入水过程中自由液面的影响，避免结构破坏、仪器失灵、弹道失控等事故的发生，是研究物体入水问题的最重要动机。
　　本文通过试验结果和数值结果对比的方法验证了利用计算流体力学软件STAR-CCM+模拟物体入水问题的可行性和准确性。结果表明STAR-CCM+可以准确高效地模拟物体入水过程。接着对三维圆锥体的垂向自由入水过程和斜向自由入水过程进行了大量的模拟计算。着重考察垂向入水过程中圆锥体受到自由面的砰击载荷、加速度以及速度随时间的变化情况，以及斜向入水过程中圆锥体受到的转矩、角速度、横向物理分量和垂向物理分量各自的变化情况。结果表明圆锥体的密度、底升角、入水速度和入水角度对圆锥体的砰击载荷和加速度等物理量均有影响。在斜入水过程中圆锥体受到自由面的转矩作用，宏观表现为圆锥体在下落过程中将绕Y轴旋转。另外，在斜入水问题中，圆锥体的砰击载荷存在二次砰击现象，且随入水角度的增大该现象愈加明显。
　　还对三维楔形体在斜向匀速入水过程中产生的空泡现象进行了模拟计算。着重探究楔形体周围自由面变化，背流区空泡发展程度，以及楔形体周围流场的压力分布情况。讨论了几何不对称程度和运动不对称程度对楔形体斜入水问题类型的影响。结果表明根据不对称程度的大小，楔形体的斜入水问题可以划分为第一类砰击问题和第二类砰击问题。两类砰击问题的自由面变化、空泡发展程度以及流场压力分布情况各不相同。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2物体入水问题的研究背景和意义

1．3国内外研究进展

1．4本文的主要工作内容

第2章物体入水问题数值理论基础

2．1流体力学基本理论

2．1．1连续介质假设

2．1．2势流理论

2．2 CFD计算方法基础理论

2．2．1控制方程

2．2．2数值离散方法

2．3 STAR-CCM+软件相关理论

2．3．1重叠网格

2．3．2流体体积法

2．4本章小结

第3章圆锥体垂向入水的自由液面研究

3．1可行性分析

3．1．1几何及网格建模

3．1．2参数设置及计算求解

3．1．3计算结果分析

3．2不同密度比的圆锥体自由入水问题探究

3．3不同底升角的圆锥体自由入水问题探究

3．4不同入水速度的圆锥体自由入水问题探究

3．5本章小结

第4章圆锥体斜向自由入水的自由面效应研究

4．1引言

4．2斜入水过程的物理量变化探究

4．2．1转矩和角速度的变化情况

4．2．2砰击载荷的变化情况

4．2．3速度的变化情况

4．3不同入水速度的斜入水问题的物理量变化

4．3．1砰击载荷的变化情况

4．3．2转矩和角速度的变化情况

4．3．3速度的变化情况

4．4不同入水角度的斜入水问题的物理量变化

4．4．1砰击载荷的变化情况

4．4．2斜入水过程中的二次砰击现象探讨

4．4．3转矩和角速度的变化情况

4．5本章小结

第5章伴随空泡现象的物体入水问题

5．1引言

5．2可行性分析

5．2．1几何及网格建模

5．2．2参数设置及计算求解

5．2．3计算结果分析

5．3几何不对称程度对空泡现象的影响

5．4运动不对称程度对空泡现象的影响

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢