返回舱垂直自由入水砰击过程的数值模拟.pdf

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1、2015年10月中国空间科学技术a1箜i塑篁垒!坠呈!竺量呈皇竺竺童呈!竺呈!!呈呈垒!竺呈垒望呈!竺竖兰返回舱垂直自由入水砰击过程的数值模拟李少伟1屈秋林2刘沛清2周丹杰1(1北京机电工程研究所，北京100074)(2北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要文章数值研究返回舱垂直自由入水砰击过程中水气流场与返回舱运动之间的动力学与运动学耦合问题。水气两相流的流动方程选为非定常雷诺平均Navier—Stokes(URANS)方程和Realizable肛￡湍流模型，返回舱的运动方程选为刚体

2、的一维平动方程，水气交界面的追踪采用流体体积函数(VOF)方法，返回舱与水面之间的相对运动采用动网格技术实现。在计算方法得到试验验证的基础上，数值研究了返回舱的不同触水速度、质量对入水过程中砰击力、加速度等参数的影响规律；给出了入水过程中加速度峰值与触水速度及质量之间的定量关系式；发现了返回舱底部的入水砰击压强峰值发生在入水初期，且压强峰值始终位于喷溅射流的根部。关键词水动力学；水上降落；砰击载荷；流体体积函数模型；返回舱DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．05．0061引

3、言入水砰击问题广泛存在于船舶、水下兵器、海洋结构等研究领域，在航空航天领域也会经常遇到，例如水上飞机的水面降落、航天返回舱的水上降落回收、民用飞机的水上迫降口1等。结构体入水砰击过程是一个水体流场、结构体运动和结构体变形三者相互耦合的复杂过程，其中水体受到结构体的冲击力，水面会发生大的变形，形成飞溅，同时结构体受到水体的砰击力，其运动参数变化和结构变形都很大，特别是在入水初期砰击载荷极大，可能使结构体发生严重破坏。入水砰击问题的研究方法主要分为：试验法，分析法与数值模拟方法。早期的研究以试验和分析法为主。

4、文献[2]和文献E3-]提出了二维楔形和圆柱形刚体入水的分析法，文献E43修正了文献E31的沾湿因子，建立了semi—Wagner法，2004年文献E53又在semi—Wagner法的基础上加人了浮力的影响。这些分析方法简单快速，常被应用于工程实践中。但是试验与分析法难以精确给出入水过程中流场和结构体变形的细节变化，不利于开展深入的机理研究，而数值模拟方法刚好弥补这些不足，文献[6]对发生在1929--2003年间的航空航天结构入水问题研究进行了总结，指出数值模拟方法已逐渐成为入水砰击问题研究的一种重要方

5、法。返回舱入水砰击问题的研究始于美国的Mercury、Gemini和Apollo计划E6-73，初期主要采用试验与经验公式的方法，目前多采用数值模拟方法。文献E83对类“联盟号”返回舱入水问题进行了试验研究和理论分析，获得了返回舱入水过程中的加速度和表面三个特征点压力随时间的变化过程；文献[-91和文献[-10]均采用有限元方法数值模拟返回舱的入水问题，重点研究了入水过程中加速度随时间的变化规律；文献[11]采用有限元方法数值模拟了返回舱入水的流固耦合过程，主要关注了返回舱底部中心点处冲击压强的时间历程。

6、收稿日期：201410-21。收修改稿日期：2015-05—06j互———一一一一生垦窒!里壁兰夔垄!竺!i兰!垒星上述研究主要关注返回舱入水过程中加速度的变化规律，但是对触水速度和质量等参数对其的影响规律关注较少，也很少给出详尽的流场结构从而分析加速度的变化原因。本文针对此问题，采用有限体积法，应用动网格技术和多相流流体体积函数(VOF)方法数值模拟类“联盟号’，返回舱垂直自由入水砰击过程，研究返回舱的触水速度、质量对入水砰击过程ee载荷的影响规律以及相应的流场结构的变情况。2物理模型及网格划分由于各种

7、返回舱的主体几何外形相似，本文选用类联盟号返回舱模型嘲作为代表，开展入水问题数值研究，如图1(a)所示。返回舱底面为半径R一2．5m的球面，舱体柱面最大半径B一1．25m，模型关于其中心轴对称。柱坐标系固连于大地，j，轴沿返回舱轴线铅垂向上(见图1(b))。由于返回舱垂直入水过程中流场具有轴对称性，因此计算中选取二维轴对称模型进行计算。计算区域的划分如图1(b)所示，上方为空气域，下方为水域。为了保证计算精度，采用结构网格，并对返回舱表面及水面附近的网格进行了加密，返回舱壁面第一层网格高度为5×10一m，

8、网格总数为140万。图2(a)为整体的网格划分情况，图2(b)为返回舱壁面附近的网格划分情况。(a)返回舱模型(b)计算模型图l计算模型描述Fig，1Computationalmodeldescription(a)全局网格(b)近壁面网格初始时刻，返回舱以一定的速度和高度释放后垂直自由下落，触水之前受重力和空气阻力的作用，触水后则受到重力、空气阻力和水体作用力的共同作用。为了对入水过程中返回舱底部的冲击压强进行详细研究，在其底