摘 要

随着飞机的跨水飞行变得越来越普遍，对飞机水上迫降的研究也变得越来越重要，并且已经成为适航性认证的一方面。水上迫降问题属于入水冲击问题，本文运用 VOF 方法对自由液面进行模拟， UDF 和动网格技术定义物体的运动，利用FLUENT 流体计算软件进行数值模拟。

在第一章中，通过对入水问题国内外的研究进展按不同的研究方法和时间顺序进行综述，通过对比从而选择数值模拟的方法进行研究。

在第二章中，对本文所采用的主要技术进行了相关的介绍。

在第三章中，通过对二维楔形体入水基本理论中的动量守恒及附加质量理论进行了阐述和选择Fluent各设置的原理进行说明，并对楔形体自由入水经典案例进行模拟，与试验数据进行比较，证实本文所用数值模拟方法的有效性。

在第四章中，对二维圆柱体定速垂直入水进行模拟，通过对不同外形的结构体模拟来验证本文所采用数值模拟方法的合理性。

在第五章中，采用已经被证实有效的模拟方法，对二维飞机12°俯仰角进行水上迫降模拟，得到飞机入水过程的姿态角变化、速度变化、以及峰值压强。

在第六章中，对本文的研究成果进行了系统的总结，指出了本文研究工作的不足之处，并且据此进行了展望。

关键字：飞机水上迫降；Fluent；动网格；VOF；数值模拟

Abstract

With the aircraft flying over water is becoming increasingly common, the study of aircraft ditching are becoming increasingly important, and has become an aspect of airworthiness certification. Ditching into the water issues are the impact of the problem, we use the VOF method to simulate free surface, UDF and dynamic grid technology to define the motion of body and then use the FLUENT to do numerical investigation.

In the first chapter, the progress of research into water issues at home and abroad were reviewed by different research methods and time sequence, by comparing the simulation to select the method of study.

In the second chapter,to introduce the main technique used in this paper were related.

In the third chapter, through the basic theory of two-dimensional wedge into the water in the conservation of momentum and added mass theory expounded and select Fluent each setting principle is described, and the wedge into the water free classic case of simulation with experimental data Compare, confirmed the validity of this numerical simulation method used.

In the fourth chapter, the two-dimensional vertical cylinder fixed speed into the water to simulate the structure by simulating different shapes used herein to verify the reasonableness of numerical simulation methods.

In the fifth chapter, the use has been proven effective simulation method, the two-dimensional plane 12 ° tilt angle ditching simulated and attitude angle change planes into the water course, speed changes, and peak pressure.

In the sixth chapter, the research results of this paper summarizes the system, this paper points out the shortcomings of the research work, and accordingly in the future.

Key words: Ditching；Fluent；Dynamic mesh；VOF；Numerical simulation

目录

1 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2相关的研究工作 1

1.2.1实验方法 1

1.2.2理论分析 2

1.2.1数值模拟 2

1.3本文的研究方案 5

1.3.1研究内容 5

1.3.2研究路线 5

2所用主要研究技术 6

2.1动网格 6

2.1.1弹性光顺法 7

2.1.2局部重构法 8

2.2 多相流模型 9

2.2.1 VOF模型 9

2.3 有限体积法 10

2.4用户自定义函数UDF 11

2.4.1 六自由度宏（SDOF） 11

2.4.2 水压缩性 11

3 二维楔形体垂直入水数值模拟 13

3.1二维楔形体入水冲击理论 13

3.1.1 Von Karman动量守恒与附加质量理论 13

3.2入水过程相关模型介绍 15

3.2.1湍流模型 15

3.2.2壁面函数 16

3.2.3求解方法 17

3.3楔形体自由入水算法验证 17

3.4算例问题分析解决 26

3.5本章小结 28

4 二维圆柱垂直入水模拟 29

4.1计算模型 29

4.2数值模拟结果分析 31

4.3本章小结 35

5飞机水上迫降数值模拟 36

5.1 数值模拟流程图 36

5.2 飞机模型建立与简化 36

5.3 入水模拟结果分析(12度） 38

5.3 飞机不同姿态入水分析 44

5.3.1 冲击力对比 45

5.3.2 峰值压强对比 46

5.3.3姿态角变化以及垂向速度变化对比 47

5.4 本章小结 48

6 总结与展望 49

参考文献 49

致谢 52

1 绪论

1.1研究背景及意义

飞机水上迫降是指飞机飞行过程中存在安全隐患或者被劫持状况下做出的被迫降落，着陆场主要是在湖泊、江面或海面上，给乘客和机务人员创造一定的逃生机会。进入21世纪，航空航天事业发展迅猛，运输机的应用变得越来越普及。飞机的跨水飞行变得越来越普遍，因而大大增加了飞机水上迫降发生的可能性，飞机发生水上迫降或是坠毁事故己层出不穷。2009年法航空客A330在大西洋发生了坠机导致机上人员全部遇难的事故,而在同年美国空中客车A320班机却成功迫降在纽约哈德孙河面上,100多名乘客和机组人员全部获救。

从1950 年开始，美国经过大量的试验和理论分析，在飞机水上迫降相关领域内率先展开了研究。1960年以后，世界各国在制订民用机适航条例时，把水上迫降性能作为飞机适航认证的一方面。我国民用运输机适航条例CCAR—25R3部中，已经对民用飞机的水上迫降能力做了明确规定。目前，我国航空航天事业正迅猛发展，自主产权运输机C919、ARJ21相继研发成功，对于飞机水上迫降的性能研究也必须开展开来。作为取得适航资格的重要评估指标之一，水上迫降理论研究以及实验研究在国内的研究报道并不多见，部分飞机水上迫降的水动力载荷设计上仍然使用国外20世纪公开的数据和经验参数。这与我国迅猛发展的航空航天事业是完全不相符的，因此21世纪需要国内相关领域的研究学者一起努力，开展我国飞机水上迫降的研究。

1.2相关的研究工作

飞机水上迫降其实是入水冲击问题。国内外对于相关的入水问题的研究已经有一百多年的历史。其中最主要的研究方法大体可以分为实验研究、理论分析、数值模拟三大类。

1.2.1实验方法

1997年Zhao和Faltinsen等对30度的楔形体进行了垂直自由落体入水冲击实验。他们通过对实验数据的分析对比发现最大冲击压力出现在靠近挤压射流的飞溅区根部。当流动发生分离后，分离点处最大压强很快下降，此时最大压强移向楔形体下尖点位置。

1.2.2理论分析

国外对于飞机水上迫降的研究起步比较早，有关入水冲击的理论分析的研究最早可以追溯到1929年Von Karman对飞机水上降落着水时受到的冲击载荷的计算。自其理论分析之后，国内外许多学者对入水问题进行了更加深入的理论研究，各自形成了各有特色的解法，例如附加质量法、直接积分法、平板理论、相似解理论、渐进匹配展开法、增量法和逆Wagner理论方法等等，各方法从不同的角度对入水冲击问题进行描述和求解，为后人进一步的深入研究提供了理论基础。

1929年Von Karman在进行飞机水上迫降的实验过程中进行了早期的入水冲击理论研究^[3]。他假定在入水初期水、结构体、空气组成的系统在垂向动量守恒，并且提出用附加质量代替流体的水动力作用，将水上飞机降落过程中的浮筒理想化为二维楔形体模型，利用动量守恒定律推导出了入水冲击过程中的冲动力作用、平均圧强以及峰值压强，给出了结构体入水冲击问题的初步分析。但如果结构体不是楔形体这种具有斜升角的物体而是平板，此方法遇到了结构物入水瞬间峰值压强为无穷大的问题。随后考虑到了压缩性的问题，使其理论对于平板入水冲击任然有效。随后其方法得到了广泛的推广，但是其方法也有其鲜明的缺点，他忽略了结构体入水后引起的结构体边界附近自由液面的局部升高，因而其理论无法计算物体与自由液面接触点附近的砰击压力，以及整个理论给出的是峰值压强，而并未能给出结构体边界的压强分布，并且其理论不能对很多入水砰击问题给出合理的解释。不过自其之后，相关领域更多的学者参与到了入水冲击问题的研究中，对入水冲击理论进行不断地改进。