具有自由液面效應(yīng)的高頻流固耦合問(wèn)題.pdf

1、高頻流固耦合現(xiàn)象的成因很多,如水中航行體受到瞬態(tài)載荷的沖擊作用,水中航行體的突然啟動(dòng)或突然停止,物體自由落入水中,產(chǎn)生砰擊。這些是比較常見的高頻流固耦合現(xiàn)象。還有一些高頻流固耦合現(xiàn)象并不常見,但和一般高頻流固耦合問(wèn)題卻有相似的機(jī)理,如導(dǎo)彈離開發(fā)射筒時(shí),產(chǎn)生強(qiáng)烈砰擊,可誘發(fā)高頻流固耦合現(xiàn)象,彈體出水時(shí),載荷變化可誘發(fā)高頻流固耦合問(wèn)題。有些高頻流固耦合問(wèn)題還會(huì)伴隨自由液面效應(yīng),如結(jié)構(gòu)的出水問(wèn)題或入水問(wèn)題。在發(fā)生高頻流固耦合問(wèn)題時(shí),水中航行體

2、還可能同時(shí)受到環(huán)境載荷的作用,如波浪、洋流等。本文研究的范圍是自由液面附近水中高速航行體的高頻流固耦合問(wèn)題,以彈體出入水問(wèn)題為例。
　　 本文從彈體運(yùn)動(dòng)的基本現(xiàn)象入手,重點(diǎn)研究彈體出入水時(shí)的流固耦合效應(yīng)、自由液面效應(yīng)、砰擊現(xiàn)象、環(huán)境載荷等,旨在揭示彈體出入水時(shí)的流固耦合動(dòng)力學(xué)特性。
　　 首先,本文從實(shí)驗(yàn)技術(shù)、數(shù)值方法等方面回顧了國(guó)內(nèi)外關(guān)于彈體出入水相關(guān)問(wèn)題的研究進(jìn)展情況。介紹了彈體出入水問(wèn)題涉及的基本現(xiàn)象,包括流固耦合

3、現(xiàn)象、水?，F(xiàn)象、入水砰擊現(xiàn)象、波浪中出水等。重點(diǎn)綜述了國(guó)內(nèi)外流固耦合數(shù)值計(jì)算方法的研究進(jìn)展。在上述基礎(chǔ)上提出一些尚需進(jìn)一步解決的問(wèn)題,為指導(dǎo)本文的后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。
　　 彈體屬于航行態(tài)結(jié)構(gòu)同時(shí)伴隨高頻的彈性振動(dòng),其流固耦合問(wèn)題也因其運(yùn)動(dòng)特性表現(xiàn)出特殊性。因此,選取合適的流固耦合方法研究彈體流固耦合問(wèn)題至關(guān)重要。本文根據(jù)彈體的運(yùn)動(dòng)特性,在二階雙漸近法(DAA2)的基礎(chǔ)上,提出一種將運(yùn)動(dòng)非線性引入到雙漸近法計(jì)算的一種流固耦合數(shù)值計(jì)

4、算方法。由于它考慮了運(yùn)動(dòng)非線性,本文暫且稱其為非線性雙漸近法(NDAA)。該方法是一種考慮部分非線性的混合方法。同時(shí),以球殼為例,研究運(yùn)動(dòng)非線性對(duì)水中結(jié)構(gòu)高頻流固耦合動(dòng)態(tài)特性的影響,給出運(yùn)動(dòng)非線性不能忽略的邊值條件。
　　 彈體出水時(shí),彈體的向上運(yùn)動(dòng)會(huì)使自由液面產(chǎn)生水冢,其載荷特征也會(huì)發(fā)生變化。本文建立了推導(dǎo)一種考慮自由液面效應(yīng)的NDAA方法,在研究可壓縮性對(duì)動(dòng)量方程及連續(xù)性方程影響的基礎(chǔ)上,對(duì)NDAA數(shù)學(xué)模型的控制方程與自由面

5、邊界條件的相容性進(jìn)行分析和論證。在對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可行性分析的前提下,采用該數(shù)學(xué)模型分析自由液面附近結(jié)構(gòu)出水時(shí)的水?，F(xiàn)象,載荷特征及其出水機(jī)理,并對(duì)自由液面附近結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。
　　 彈體屬?gòu)椝苄越Y(jié)構(gòu),在其出水過(guò)程中會(huì)伴隨彈性振動(dòng)。因此,本文推導(dǎo)一種適用于高頻流固耦合計(jì)算的NDAA方法,以彈體突然啟動(dòng)問(wèn)題為例,分析高頻流固耦合現(xiàn)象的特征。與不考慮可壓縮性的理論解進(jìn)行比較,分析可壓縮性在高頻流固耦合問(wèn)題中的影響及高頻流固耦合現(xiàn)象的

6、產(chǎn)生機(jī)理;與考慮可壓縮的估算值進(jìn)行比較,證實(shí)本文NDAA數(shù)學(xué)模型在計(jì)算高頻流固耦合問(wèn)題時(shí)的合理性。并給出影響高頻流固耦合現(xiàn)象的因素。
　　 環(huán)境載荷是影響彈體出水的關(guān)鍵因素,尤其是波浪載荷。本文將波浪載荷引入彈體出水流固耦合的數(shù)值計(jì)算,以平面進(jìn)行波為例,開發(fā)考慮波浪載荷與結(jié)構(gòu)彈性振動(dòng)耦合的動(dòng)力學(xué)模型,重點(diǎn)模擬彈體在波浪中出水時(shí)波面形狀變化以及彈體穿透波面的過(guò)程。同時(shí)研究波浪參數(shù)(波高、周期)對(duì)彈體出水姿態(tài)的影響。
　　

7、建立了三維彈性結(jié)構(gòu)入水沖擊流固耦合數(shù)學(xué)模型,采用該法模擬三維柱體自由落水時(shí)自由液面變化情況以及柱體運(yùn)動(dòng)情況,研究入水砰擊力的特征。在對(duì)該法可行性及優(yōu)越性分析的前提下,采用該法模擬面接觸入水砰擊問(wèn)題,分析可壓縮性對(duì)面接觸入水沖擊問(wèn)題的影響,比較彈性體入水與剛體入水的差異,分析彈性體剛度對(duì)入水沖擊力的影響。最后給出適合彈體入水砰擊力的解析表達(dá)式,方便用于彈體入水砰擊力的計(jì)算。
　　 給出回轉(zhuǎn)體剛彈耦合數(shù)學(xué)模型,在對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證