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结构物出水过程的数值模拟

邹星  
【摘要】:结构物出水问题在船舶及水中兵器领域有广泛的应用,越来越多的国家开始重视该问题的研究。本文要研究的结构物出水过程的数值模拟就是在这种背景下展开的。结构物出水问题是一种涉及水和空气的两相流运动,同时耦合了流体流场及刚体运动学内容的复杂问题。借助于流体力学分析软件Fluent,在了解动网格、UDF等关键技术后,研究圆柱体以恒定速度垂直水面运动,并穿透水面进入空气中的整个过程的流场分布、自由液面变形及流体对弹体的作用力。 介绍了国内外对结构物出水过程的研究现状,主要是简单模型(如球体、圆柱体)出水问题的理论研究以及近来发展的粒子图像测速技术用于追踪、捕捉结构物出水过程中的速度、涡量等的变化情况,得到自由面形状变化规律的实验研究。 通过对与柱状结构物出水同属于高雷诺数流动问题的平板绕流运动的模拟,给出了适用于该类问题的湍流模型及各参数、边界条件设置、壁面函数处理方法等有效信息,为后续出水问题的研究提供指导。 基于VOF模型,对单个钝头回转体的出水过程进行了数值模拟,给出了出水过程中不同时刻下弹体周围的速度矢量分布、涡量分布以及弹体四壁所受水压力的分布曲线,从中可以得到各壁面的危险位置,为回转体结构分析及防护提供了依据。将数值模拟结果与文献中的实验结果进行对比,发现两者符合得很好,从而证明了数值模拟对出水问题研究的可靠性与准确性。 对结构物出水时液面变形进行了定量化分析,研究了结构物在不同初始深度下开始运动时对液面变形的影响规律以及不同头、尾部形状对液面变形的影响。对双结构物出水过程进行了模拟,给出了双结构物不同间距,不同头、尾部形状下,液面变形的差别。 对三维结构物出水过程进行了数值模拟,给出了出水过程中不同时刻下的液面变形,更加直观、清晰的显示出圆柱体整个出水过程,捕捉到了圆柱体穿透自由液面时头部水体的飞溅、尾部水体脱落及水面水体上涌等现象。


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