剛性球體三維入水沖擊數值仿真

孟 龍， 萬美慧， 肖京平

(中國空氣動力研究與發展中心， 四川 綿陽 621000)

0 引 言

水上飛機和宇宙飛船的水上降落、太空艙濺落至海洋中等情況均屬于結構物入水沖擊問題，結構物的入水沖擊過程持續時間非常短，瞬時砰擊壓力大，流體呈現較強的彈性效應，并產生振動[1]，流固耦合作用復雜，有些流動機理尚待研究。

早在1897年WORTHINGTON等[2]就開始入水問題的研究，采用拍攝技術對外形為圓形的結構物進行入水界面處的拍攝，對水氣界面處的液滴飛濺和液面閉合情況進行細致的研究。VON KARMAN[3]對入水問題進行系統的理論研究，但是并沒有考慮流體的堆積效應。WAGNER[4]基于勢流理論提出近似平板理論，該理論適用于小斜升角并且考慮結構物入水時引起的堆積效應，奠定了后續入水問題理論研究和數值模型的基礎，然而該理論仍需要引進修正系數進行精確計算[5]。國內眾多學者[6-7]也開展大量的結構物入水數值研究，馬林[8]主要采用光滑粒子流體動力學(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)方法開展結構物入水問題的研究，但是其建立的SPH模型對于三維入水問題的使用性較差，對計算資源要求較高，計算時間較長。

隨著數值方法(如有限差分法[9-10]、邊界元法[11-12]、有限元法[13-14]等)的發展及其在流體流動問題上的應用，對于結構物入水沖擊載荷的試驗研究[15]也迅速發展起來：張岳青等[16]開展楔形結構物入水問題的研究，主要研究結構物在入水瞬間砰擊時的運動響應，對于其他入水砰擊問題具有一定的指導作用；……