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头部喷气对跨介质航行体入水过程载荷特性的影响

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舰船科学技术 2024年第13期46卷 59-66页

作者：彭睿哲冯和英向敏彭叶辉湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室湖南湘潭411201 国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073

跨介质航行体入水瞬间会受到巨大的冲击载荷,极易导致结构破坏甚至内部器件失灵。为发展有效的降载方法,本文基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,研究头部喷气航行体入水过程的载荷特性和流体动力特性,分析喷气压力、喷气高度对降载效... 详细信息

跨介质航行体入水瞬间会受到巨大的冲击载荷,极易导致结构破坏甚至内部器件失灵。为发展有效的降载方法,本文基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,研究头部喷气航行体入水过程的载荷特性和流体动力特性,分析喷气压力、喷气高度对降载效果的影响,并探索头部喷气降载方法有效性的入水速度范围。研究结果表明,头部喷气使自由液面下凹形成空腔,并能极大地降低航行体所受阻力和冲击力,延缓了航行体撞水时间,从而实现冲击载荷控制;喷气压力和喷气高度对入水空泡形态及冲击压力峰值的影响都不大,合理的选择既能达到降载效果又能节约喷气量;入水速度为50 m/s时,降载量高达76.51%,但当入水速度为300 m/s时,降载量仅为39.92%。因此,针对高亚声速跨介质入水问题,需进一步探索主被动相结合的复合降载方法。

关键词：跨介质航行体入水过程冲击载荷头部喷气流动特性

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自浮式半封闭圆柱壳体垂直入水过程研究

自浮式半封闭圆柱壳体垂直入水过程研究

作者：路中磊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

自浮式半封闭圆柱壳体结构是入水后可以自行漂浮的、一端开放、另一端封闭的薄壁圆柱壳体结构。本文围绕自浮式半封闭圆柱壳体低速垂直入水过程多相流体动力学问题，采用数值模拟和试验相结合的方法对入水过程运动特性、动力特性及多相... 详细信息

自浮式半封闭圆柱壳体结构是入水后可以自行漂浮的、一端开放、另一端封闭的薄壁圆柱壳体结构。本文围绕自浮式半封闭圆柱壳体低速垂直入水过程多相流体动力学问题，采用数值模拟和试验相结合的方法对入水过程运动特性、动力特性及多相流场特性开展了研究。本文主要研究内容如下：首先简要介绍了多相流体动力学的控制方程及数值求解方法，结合数值计算结果分析了数值计算的有效性;通过理论分析，结合自浮性条件、稳定性条件对试验模型进行了设计。基于Fluent软件，针对三维半封闭圆柱壳体模型入水过程进行数值模拟研究。得到了低速入水过程中质心运动规律、速度时变规律、壳体各部分受到的流场作用力、壁面压力分布、入水空泡发展规律、以及腔体内部形成的空气弹簧振动过程。进一步对半封闭圆柱壳体入水运动过程进行分析，并对其入水过程中的现象给出了合理的解释。通过高速摄像方法，进行半封闭圆柱壳体入水试验研究。通过对影像数据处理分析，给出入水过程中壳体的平动及转动规律、入水空泡的发展规律。采用数值模拟和试验相结合的方法，分别得到不同入水速度和不同浮重比条件下半封闭圆柱壳体的质心运动规律、壳体载荷、入水空泡发展规律，并对比分析得到入水速度及模型浮重比对入水过程的影响。基于数值计算结果和试验现象，在相同情况下，对比分析了半封闭圆柱壳体和全封闭圆柱壳体入水过程中的运动规律、入水冲击、入水空泡发展规律和入水稳定性，得到半封闭圆柱壳体入水过程的特点。

关键词：半封闭圆柱壳体入水过程空泡自浮空气弹簧

充气式减速器再入及入水过程流固耦合数值模拟

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充气式减速器再入及入水过程流固耦合数值模拟

作者：朱施宇南京航空航天大学

学位级别：硕士

充气式减速器是时下新兴的再入气动减速装置,其展开后呈倒锥形,能有效的进行气动减速,不同于传统的刚性返回器,充气式减速器的柔性材料受环境影响易发生变形,为探究其再入及入水过程中的工作性能,本文对充气式减速器的流固耦合数值模拟... 详细信息

充气式减速器是时下新兴的再入气动减速装置,其展开后呈倒锥形,能有效的进行气动减速,不同于传统的刚性返回器,充气式减速器的柔性材料受环境影响易发生变形,为探究其再入及入水过程中的工作性能,本文对充气式减速器的流固耦合数值模拟展开研究。首先,本文基于ANSYS Workbench平台确立单向流固耦合的数值计算方案,对柔性结构的流固耦合模型进行建立,并以充气翼为模型开展了流固耦合数值模拟,数值结果与文献结果一致,验证了耦合计算方法的准确性。在此基础上,对柔性充气式减速器再入弹道上的典型工况开展流固耦合数值计算,研究外流场气动特性,得到不同工况下流场的压力、速度、温度分布规律,并发现最大压力出现在充气式减速器钝头体处并沿子午线向外侧逐渐递减;探讨了结构中蒙皮和充气管的形变、应力、应变,发现充气式减速器再入过程中结构变形很小具有很好保形性,结构最大应力远小于材料许用应力,说明再入过程安全可靠。其次,对不同厚度、不同内压的充气管进行了模态分析,发现其固有频率随充气管内压增加而增加,随充气管厚度增加而降低。然后,本文对充气式减速器入水过程进行ALE流固耦合数值仿真研究。通过半球体入水仿真的计算与文献结果对比验证了本文ALE方法的准确性。在此基础上,建立了充气式减速器入水的数值模型,使用ALE方法对充气式减速器的入水过程进行模拟。得到其入水过程中的姿态、过载、压力变化,发现在入水过程中,最大过载和压力出现在最初入水时刻。并就入水速度、入水角度、水平风向对入水过程的影响进行了讨论,发现入水过载随入水速度和角度的增大而增大,水平风向主要对姿态角产生影响。本文对通过流固耦合数值模拟对充气式减速器在再入和入水过程中工作性能展开分析,能够为充气式减速器再入及入水砰击提供一定参考。

关键词：充气式减速器流固耦合 ALE方法再入过程入水过程

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水下悬浮丛式管汇入水过程动力学研究

水下悬浮丛式管汇入水过程动力学研究

作者：杨超中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

水下管汇作为水下生产系统中关键的核心集输设备,因能够为水下油气提供聚集点,为注水、注气、注化学药剂操作等提供分配点,且能够优化海底生产设施布局,减少管线使用数量等优势,已经成为深水油气开发中的重要组成部分。传统水下管汇是... 详细信息

水下管汇作为水下生产系统中关键的核心集输设备,因能够为水下油气提供聚集点,为注水、注气、注化学药剂操作等提供分配点,且能够优化海底生产设施布局,减少管线使用数量等优势,已经成为深水油气开发中的重要组成部分。传统水下管汇是基于水下基础结构的大型水下设备,尽管已广泛应用,但仍存在不易弃置回收,不易重复利用,且对海底地形具有较高要求等弊端。基于水下悬浮丛式管汇(下称水下悬浮管汇)的新一代水下生产系统应用而生。本文基于南海某海域的海况条件,开展3000m水深水下悬浮管汇入水过程中动力学分析工作,以期为3000m水下悬浮管汇下放安装的实际工程应用提供理论支撑和技术方法。本文结合3000m水深南海某海域海况条件、国内现有的船舶资源安装能力,以及下放安装工艺,提出了一套3000m水深水下悬浮管汇纤维缆绳下放安装回收工艺流程。考虑到单层浮筒重心位于海平面上方和下方这两种情况,分别推导出舱室进水的数学模型,计算出将整个浮筒灌满指定重量所需时间,同时利用Fluent软件模拟了单层浮筒重心位于海平面的下方情况,与理论计算结果进行对比,验证了仿真结果的准确性。建立了安装船-纤维缆绳-水下悬浮管汇多体下放系统的Orca Flex模型,研究了入水过程中纤维缆绳受力以及水下悬浮管汇运动响应情况,并通过采用控制变量的方法,模拟分析了风速、浪高、下放速度等不同影响因素对水下悬浮管汇入水过程中的影响。研究结果将能够为未来3000m水下悬浮管汇纤维缆绳安装的实际工程应用提供一定的参考和指导。

关键词：水下悬浮丛式管汇入水过程纤维缆绳安装法 Orcaflex软件

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高速物体入水过程的数值模拟研究

高速物体入水过程的数值模拟研究

第三十届全国水动力学研讨会暨第十五届全国水动力学学术会议

作者：褚学森韩文骥张凌新中国船舶科学研究中心浙江大学工程力学系

本研究发展了一种可压缩性计算方法对高速物体入水过程进行研究。建模方面,考虑流场中存在3种流体,分别为空气、水蒸汽和液体水,其中水蒸汽由液体水蒸发而来。每种流体介质均认为可压缩,将3种流体的状态方程引入控制方程。另外,物体的... 详细信息

本研究发展了一种可压缩性计算方法对高速物体入水过程进行研究。建模方面,考虑流场中存在3种流体,分别为空气、水蒸汽和液体水,其中水蒸汽由液体水蒸发而来。每种流体介质均认为可压缩,将3种流体的状态方程引入控制方程。另外,物体的移动通过动网格方法实现。对两种不同物体的垂直入水过程进行了数值模拟,包括小球和平头锥体。模拟结果给出了物体入水空泡形态、诱导冲击波传播过程,并与一些实验观测进行了对比。

关键词：入水过程压缩性激波

来源： cnki会议评论

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结构入水冲击过程三维数值模拟及实验验证

舰船科学技术 2015年第3期37卷 21-27页

作者：初文华朱东俊上海海洋大学上海201306 远洋渔业协同创新中心上海201306 哈尔滨工程大学黑龙江哈尔滨150001

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对圆柱结构入水冲击过程进行三维数值模拟并通过自行设计实验装置及高速摄影系统,对圆柱结构的入水过程进行实验研究。通过数值计算结果与实验结果的对比分析,验证所建立数值模型的有效性。在此基础上,... 详细信息

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对圆柱结构入水冲击过程进行三维数值模拟并通过自行设计实验装置及高速摄影系统,对圆柱结构的入水过程进行实验研究。通过数值计算结果与实验结果的对比分析,验证所建立数值模型的有效性。在此基础上,通过改变结构入水速度、入水角度设置大量工况,分析研究不同参数对圆柱结构入水冲击过程的影响规律。

关键词：入水过程圆柱结构 SPH 实验验证

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深海着陆器入水及坐底过程动力学分析

深海着陆器入水及坐底过程动力学分析

作者：汤叶青杭州电子科技大学

学位级别：硕士

本文针对一种深海着陆器利用Fluent和LS-DYNA进行入水和坐底过程动力学分析,依据仿真数据得到深海着陆器的坐底速度、坐底冲击力及设备在海底沉积物中的下陷量,并结合仿真结果利用ANSYS Workbench分析深海着陆器的冲击形变量,以优化深... 详细信息

本文针对一种深海着陆器利用Fluent和LS-DYNA进行入水和坐底过程动力学分析,依据仿真数据得到深海着陆器的坐底速度、坐底冲击力及设备在海底沉积物中的下陷量,并结合仿真结果利用ANSYS Workbench分析深海着陆器的冲击形变量,以优化深海着陆器的设计。首先,概述了国内外深海着陆器的应用和研究概况。然后,对深海沉积物原位定植培养系统的结构及着陆器部分进行建模,并对关键零部件进行静力学仿真和结构优化,主要包括着陆器的整体平衡计算、关键结构耐压筒的结构优化及部分密封结构设计。其次,对深海着陆器的下降过程进行流体仿真,通过Fluent软件仿真得到5组不同洋流速度分别对其的水阻力大小。计算出阻力并通过经验公式推算出深海着陆器坐底时与母船之间的位移,为设备回收提供参考位置信息。再次,深海着陆器在坐底过程中,会和海底沉积物发生碰撞冲击。对压载块和海底沉积物进行建模,并利用LS-DYNA软件分析着陆器冲击过程。通过海试实验数据预估着陆器的坐底速度,分别设置5个不同速度坐底的工况,仿真计算得到着陆器在海底沉积物中的下陷深度、最大接触反力、结构框架的最大应变。其中设置深海沉积物为两种类型,比较着陆器和不同性质沉积物碰撞所产生的接触反力。结合仿真数据,校核结构框架和压载块的强度。最后为深海着陆器海上投放实验测试数据分析。

关键词：深海着陆器入水过程坐底过程结构优化

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回转体超音速入水冲击数值仿真

水下无人系统学报 2015年第1期23卷 2-6页

作者：孙凯党建军郝维敏蒋彬西北工业大学航海学院

入水冲击问题是现代水中兵器的研究热点之一。采用商用CFD软件,使用流体体积函数(VOF)模型并结合动网格技术,仿真了平头回转体模型在亚音速、跨音速以及超音速状态下的入水过程,得到了模型在不同速度下的入水阻力特性、头部直径、液体... 详细信息

入水冲击问题是现代水中兵器的研究热点之一。采用商用CFD软件,使用流体体积函数(VOF)模型并结合动网格技术,仿真了平头回转体模型在亚音速、跨音速以及超音速状态下的入水过程,得到了模型在不同速度下的入水阻力特性、头部直径、液体可压缩性及空气激波对入水过程的影响。仿真结果表明,入水阻力系数峰值随着速度的增加先降低后平缓,峰值宽度逐渐降低;增大头部直径,阻力系数峰值增加,峰值宽度增加;水的压缩性会使阻力系数峰值出现的时间延后,数值降低;空气激波会使接触水面时刻阻力系数降低。

关键词：平头回转体入水过程流体体积函数(VOF)模型阻力系数

基于PIV实验和SPH模拟的气-液两相圆球入水特性研究

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基于PIV实验和SPH模拟的气-液两相圆球入水特性研究