FLUENT小球入水分析(2)
1.2 国内外研究现状 伴随着科学技术的发展和前人所做的工作，在入水领域取得的进展也越来越多，建立起了众多的理论和计算方法。总的来说可以分以下三个阶段： 1) 早期入水冲击问题的研究 早期入水冲击问题的研究主要通过实验的方法进行研究：利用闪光摄影技术和模型实验方法得到物体落入液体时出现的飞溅和空泡现象以及冲击载荷与时间的关系。而入水理论技术的研究主要是T.von Karman [1]的附加质量法结合动量守恒定律的理论以及V.H.Wagner[2]的基于T.von Karman 方法提出的小斜角模型的近似平板理论。 2) 中期入水冲击问题的研究 二战后，各国充分认识到入水冲击问题的研究在军事领域中的重要性，于是纷纷投身于入水问题的研究中。并且不局限于完善入水冲击载荷的计算，还将研究对象拓展到入水过程的各个方面，并考虑了外因对入水冲击的影响。比如考虑波浪对附加质量的影响，沾湿面上的压力分布以及引起最大冲击载荷的影响，流体的压缩效应对入水冲击问题的影响，入水弹道的研究等等。 3) 近期入水冲击问题的研究 近期入水冲击问题的研究主要集中在对入水冲击载荷、水弹性模型、飞溅射流的实验和数值模拟的深入分析等问题上。 随着数值分析方法的不断完善，利用有限元对流体域和固体域单独建立数值模型成为可能，将流体模型和结构模型耦合为一个水弹性模型，可以解决复杂三维几何结构入水问题，也可以处理流体可压缩、非线性自由液面边界条件以及结构变形等问题。
1.2.1 国外入水问题研究现状 在国外,近来入水问题的研究基本遵循 Wagner渐近匹配近似理论，如 R.Cointe[3]对二维入水冲击普遍问题,建立简单的物理和数学模型,通过匹配渐近展开方法求解斜入水和波动自由液面的情况,从而拓展了 von Karman和Wagner理论。T.Miloh[4]也利用匹配渐近方法和增量法计算刚性球斜方向撞击不可压缩流体产生的冲击载荷。L.E.Fraenkel[5]等对楔形体以固定速度垂直撞水产生的流场变化进行理论分析源]自=优尔-·论~文"网·www.youerw.com/ 。R.Zhao[6]等针对二维楔形体等速垂直入水砰击,在满足动量守恒和能量守恒的基础上,重点考虑了冲击引起的射流对数值计算的奇异性影响,确保高曲率射流的流体质量守恒,通过对沾湿面上的压力积分计算冲击载荷。 M.Greenhow[7]等讨论了正浮力圆柱体入水撞击液层引起的射流和散射波,以及能量在出入水过程中的传递。A.A.Korobkin[8]等考虑结构物入水冲击的弹性问题,处理成两个问题的结合:一是先不考虑结构的弹性,求解流场对结构物的冲击载荷;二是在已知物面压力分布情况下计算结构物的弹性变形。这也是一种典型的简化入水问题的理论方法。G.X.Wu[9]通过分析 T.Miloh[10]的增量法和R.Zhao 等、O.M.Faltinsen[11]等的沾湿面压力积分方法,给出了两种方法是一致的结论。L.Xu[12]等研究了舰船砰击作用产生的冲击响应,利用二维对称冲击理论预测冲击力和力矩。Y.M.Scolan[13]等提出比切片理论更先进的逆 Wagner理论分析三维钝体入水冲击,利用能量分布方法得到正确的压力分布和沿物面的动压力预测。 入水动力学问题必须考虑入水结构受到冲击载荷作用下的失稳和屈曲,并预测产生屈曲的临界冲击载荷峰值。S.J.Cui[14]等、H.Hao等[15]和H.K.Cheong[16]等通过试验分析细长体在周期性入水冲击载荷作用下的动态屈服,着重分析不同加载方式和长细比对屈服行为的影响,给出了入水冲击屈曲准则。A.A.Korobkin[17]等在利用增量法分析冲击初始时刻出现的冲击压缩波的时候,将压力脉冲理论引进到入水冲击问题中。A.Carcaterra[18]等将入水冲击响应谱方法引进到分析楔形体入水冲击的结构响应中,通过冲击信号特性进行冲击谱分析,避免了直接求解入水冲击问题,并且根据无量纲方法可以提前预计系统的冲击动态响应。S.Okada 等重点分析小角度入水冲击问题,对Wagner 形式、存在气垫效应形式和介于两者之间的形式的入水冲击进行试验,通过采用平均冲击压力分析结构响应。由于压力小波谱可以为冲击现象提供大量的时域信息,E.V.Ermanyuka[20]等利用小波变换的方法分析压力时间历程,分析过程中产生的压力变化,表明气垫效应强烈影响冲击时间和射流形状,这给入水问题研究增添了一种新的处理方法。由于入水问题是一个瞬态过程,W.Peng[21]等利用脉冲压力方法研究刚性圆盘跌落到平的水面上的问题。 在数值计算方面,所有的数值计算都在简化的无限求解域上进行。M.Anghileri[22]等利用有限元分析刚性球垂直入水。O.Faltinsen[23]等采用数值方法建立了两种数值模型,通过入水跌落试验来验证理论结果和数值结果。A.A.Korobkin[24]等将边界元和有限元差分法应用到悬浮体受到冲击引起的液流的非定常问题的分析上。B.Donguy[25]等用一种数值分析方法对二维和三维、刚性体和弹性体入水以及耦合非耦合情况进行详细分析,这是一种变化的有限元公式,在迭代过程中求得沾湿修正因子,通过流固耦合矩阵来处理固体和流体之间的相互作用,认为R.Cionte和S.D.Howsion等[26]计算的二维楔形体入水产生的最大冲击水动压力比实际的高。M.Park[27]等提出了基于无粘势流理论的切片数值方法,分析计算高速入水的冲击载荷和入水过程可能产生的忽扑行为。 D.Battistin[28]等讨论二维对称体垂直入水过程中,作用在冲击结构物上的水动力载荷。引用速度势理论和非线性边界积分,在沾湿面上应用Neumann 条件,在自由液面上用Dirichlet条件,采用运动学和动力学条件,通过对非定常的伯努利方程进行积分得到自由液面上的速度势,解决了冲击产生的射流导致局部奇异性问题。G.X.Wu[29]等在势流理论基础上采用边界元和浅水域入水射流近似方法分析入水水动力问题,在射流区域建立了可以提供自由面形状和沾湿面压力分布的模型,简化射流厚度对速度场的极大影响,采用了自相似理论控制边界值问题。M.S.Seif1[30]等对入水冲击问题涉及的空气、液体和固体三相域进行分析,在对称和非对称入水冲击现象下利用流体体积法计算自由液面的位置变化文献综述。K.Takagi[31]将椭物体视为二维入水体,采用位势方法精确计算附加质量、入水速度和侵深,计算结果更符合三维砰击入水的实际过程。G.Oger[32]等采用基于光滑质子水动力学的无网格方法处理入水冲击问题中涉及到的流体可压缩性,在耦合程序中利用Runge-Kutta和SPH法不断更新速度和位移信息,计算作用在刚性体上的水动力压力。