张耐民，裴金亮，赵 阳，尤天庆，刘元清



有限水层对物体运动影响的数值计算研究

张耐民1,2，裴金亮2，赵 阳1，尤天庆2，刘元清2

（1. 哈尔滨工业大学，哈尔滨，150001；2. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

穿越自由液面过程中航行体表面携带的附着水层会对分离物体受力及分离运动产生重要影响。首先采用流体体积方法（Volume of Fluid，VOF）建立了圆柱运动的刚体动力学方程和气液两相流动N-S方程的耦合求解模型，基于试验数据验证了算法的准确性。在此基础上，开展了不同外形物体穿越有限水层的计算分析。研究了不同形状、结构质量、运动形式、水层厚度等因素对物体穿越有限水层的受力情况和运动变化规律。

附着水层；流体体积方法；N-S方程；航行体

0 引 言

水下高速运动的航行体出水过程涉及众多物理现象，穿越自由液面过程中航行体表面携带附着水是众多复杂物理现象之一，与航行体的运动状态、空泡状态等密切相关。航行体出水后进行的尾罩分离等运动即在附着水层的覆盖下进行，附着水层会对分离物体的受力及分离运动产生重要影响。针对此问题的物理及数学模型都是非常复杂的。随着计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的发展，如流体体积法（Volume of Fluid，VOF）等能比较好地解决自由液面问题。Hirt等[1]提出VOF方法以来，带自由表面的两相粘性不可压缩流体运动的数值计算技术得到了迅速的发展。近30年来，VOF方法在物体入水的数值计算领域得到了广泛的应用。Arai等[2]假设流动为无粘不可压流动，应用VOF方法对二维楔、圆柱、船艏的砰击入水问题进行了模拟；……