弹性结构与气液混合流场的耦合砰击响应研究

砰击是结构与水面之间发生的强烈的拍击现象，是造成船舶与海洋结构物破.坏的原因之一。以往的研究多以理想势流理论为基础，把结构视为刚体，忽略了砰击瞬间.空气垫的存在、流体的可压缩性和结构弹性变形的影响。本课题研究砰击发生时弹性结构.与气液混合的可压缩流场的耦合作用。具体研究内容包括：把砰击历程分为三个阶段，液.面气流扰动阶段、液流场受冲击的初始阶段和后续流固耦合阶段。首先应用空气动力学原.理分析液面砰击发生前的液面压力和变形条件，确定气液混合流层；其次研究砰击初始瞬.时冲击波的发展和流场动力特性；最后以正交模态法为基础，建立结构的理论分析模型，.数值分析结构与流场的耦合作用。同时，通过试验验证理论分析结果并对理论作出修正。本.课题从探究砰击发生机理的角度出发，重点放在结构变形阶段，为砰击载荷的制定提供理论依据。

摘要：课题围绕流固耦合领域中的入水砰击问题，采用数值分析和实验方法重点研究了结构弹性和空气垫的影响。课题研究内容主要分为五部分。第一部分对目前砰击问题研究的最新进展进行了总结概括，简要介绍了砰击最新研究的理论方法和相关学者。第二部分将势流理论和结构模态方法结合，考虑结构湿表面变形的平均速度对物面流场速度的影响，推导了楔形板架结构入水的耦合方程组，并针对某楔形板架进行了分析计算，最后讨论了结构倾角、入水速度、结构刚度（板厚）各因素的影响规律。该方法可以较好地考虑结构前二阶弹性模态的影响。数值结果与试验比较表明，与刚性结构相比，结构弹性减缓了压力极值，但也导致压力的波动与结构振动问题。第三部分使用仿真方法对结构弹性的影响进行了总结分析，得到的结论与数值计算类似。根据前人的研究总结，平底结构的入水冲击载荷受到了空气垫的影响。课题第四部分以弹性平板结构的入水冲击试验为基础，分析了砰击过程中平板表面压力和附近流场的动力特征。试验使用自制的滑轨落体砰击装置实现入水控制，使用压力变送器与高速视频设备同步记录了冲击压力和流场。试验结果分析发现，平板入水时，夹入水中的空气在初始压力峰值区间具有所谓的“空气垫”的效应；之后空气与水呈混合状态，压力呈振荡形式减弱。压力信号的频谱分析表明，其振荡具有明显的特征频率。主特征频率与板的水弹性模态吻合，二阶频率反映了入水初始冲击压力的持续时间特征。在课题的支持下，第五部分试验研究了三维物体倾斜入水的载荷分布。试验通过单摆装置控制圆球以倾斜方式冲击入水，同步测量了球体表面的砰击压力和流场变化，重点分析了球体表面冲击压力的时历特点和空间分布。试验结果表明，圆球倾斜入水时，最大的压力峰值发生在球面与静水面最先接触点的位置。在该点的两侧区域，各点的压力水平差距很大。在保持相同的触水方向的情况下，球面上冲击压力峰值与速度平方呈明显的线性关系。研究给出了压力峰值冲击系数在球面上的分布，简要探讨了砰击过程中气泡导致的压力振荡现象。