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具有自由液面效应的高频流固耦合问题

孙士丽  
【摘要】:高频流固耦合现象的成因很多,如水中航行体受到瞬态载荷的冲击作用,水中航行体的突然启动或突然停止,物体自由落入水中,产生砰击。这些是比较常见的高频流固耦合现象。还有一些高频流固耦合现象并不常见,但和一般高频流固耦合问题却有相似的机理,如导弹离开发射筒时,产生强烈砰击,可诱发高频流固耦合现象,弹体出水时,载荷变化可诱发高频流固耦合问题。有些高频流固耦合问题还会伴随自由液面效应,如结构的出水问题或入水问题。在发生高频流固耦合问题时,水中航行体还可能同时受到环境载荷的作用,如波浪、洋流等。本文研究的范围是自由液面附近水中高速航行体的高频流固耦合问题,以弹体出入水问题为例。 本文从弹体运动的基本现象入手,重点研究弹体出入水时的流固耦合效应、自由液面效应、砰击现象、环境载荷等,旨在揭示弹体出入水时的流固耦合动力学特性。 首先,本文从实验技术、数值方法等方面回顾了国内外关于弹体出入水相关问题的研究进展情况。介绍了弹体出入水问题涉及的基本现象,包括流固耦合现象、水冢现象、入水砰击现象、波浪中出水等。重点综述了国内外流固耦合数值计算方法的研究进展。在上述基础上提出一些尚需进一步解决的问题,为指导本文的后续工作奠定基础。 弹体属于航行态结构同时伴随高频的弹性振动,其流固耦合问题也因其运动特性表现出特殊性。因此,选取合适的流固耦合方法研究弹体流固耦合问题至关重要。本文根据弹体的运动特性,在二阶双渐近法(DAA2)的基础上,提出一种将运动非线性引入到双渐近法计算的一种流固耦合数值计算方法。由于它考虑了运动非线性,本文暂且称其为非线性双渐近法(NDAA)。该方法是一种考虑部分非线性的混合方法。同时,以球壳为例,研究运动非线性对水中结构高频流固耦合动态特性的影响,给出运动非线性不能忽略的边值条件。 弹体出水时,弹体的向上运动会使自由液面产生水冢,其载荷特征也会发生变化。本文建立了推导一种考虑自由液面效应的NDAA方法,在研究可压缩性对动量方程及连续性方程影响的基础上,对NDAA数学模型的控制方程与自由面边界条件的相容性进行分析和论证。在对数学模型进行可行性分析的前提下,采用该数学模型分析自由液面附近结构出水时的水冢现象,载荷特征及其出水机理,并对自由液面附近结构运动进行研究。 弹体属弹塑性结构,在其出水过程中会伴随弹性振动。因此,本文推导一种适用于高频流固耦合计算的NDAA方法,以弹体突然启动问题为例,分析高频流固耦合现象的特征。与不考虑可压缩性的理论解进行比较,分析可压缩性在高频流固耦合问题中的影响及高频流固耦合现象的产生机理;与考虑可压缩的估算值进行比较,证实本文NDAA数学模型在计算高频流固耦合问题时的合理性。并给出影响高频流固耦合现象的因素。 环境载荷是影响弹体出水的关键因素,尤其是波浪载荷。本文将波浪载荷引入弹体出水流固耦合的数值计算,以平面进行波为例,开发考虑波浪载荷与结构弹性振动耦合的动力学模型,重点模拟弹体在波浪中出水时波面形状变化以及弹体穿透波面的过程。同时研究波浪参数(波高、周期)对弹体出水姿态的影响。 建立了三维弹性结构入水冲击流固耦合数学模型,采用该法模拟三维柱体自由落水时自由液面变化情况以及柱体运动情况,研究入水砰击力的特征。在对该法可行性及优越性分析的前提下,采用该法模拟面接触入水砰击问题,分析可压缩性对面接触入水冲击问题的影响,比较弹性体入水与刚体入水的差异,分析弹性体刚度对入水冲击力的影响。最后给出适合弹体入水砰击力的解析表达式,方便用于弹体入水砰击力的计算。 给出回转体刚弹耦合数学模型,在对该数学模型进行验证的前提下,利用该模型分析潜艇的刚体运动及弹性振动。并根据弹体出筒过程的受力特点,研究潜艇刚体运动对弹体流固耦合运动及受力的影响。


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