Page 6 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 原 凯，等： 航行体高速入水时多孔泡沫的缓冲降载特性 第 9 期

入水冲击的损害。在众多吸能材料中，泡沫材料 [14] 因其低密度和优秀的能量吸收能力成为吸能降载材
料的首选，特别是泡沫铝以其显著的吸能效果备受关注。曾斐等 [15] 对泡沫铝的降载特性进行了综合评
估，为缓冲头帽的材料选择和设计提供了科学依据，结果表明，泡沫铝作为一种优秀的缓冲材料，能够有
效地减缓高速入水过程中对航行体的砰击，提高结构的稳定性。在数值模拟方面，Shi 等 [16] 通过任意拉
格朗日-欧拉（arbitrary Lagrangian-Euler，ALE）方法，对携带泡沫铝缓冲结构的自主水下航行器进行了数
值模拟，发现缓冲头帽能够在弹体垂直入水时显著降低入水砰击压力峰值，降幅达到 42.2%。孙龙泉等 [17]
通过耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian，CEL）方法，对携带泡沫铝缓冲块的高速入水航行
体的降载性能进行了数值模拟，发现提高航行体入水速度可以降低航行体入水加速度峰值的降载率，并
且降载率也随着所用泡沫铝密度的提高而表现出先高后低的趋势。
本文中，拟探究航行体在高速入水过程中的缓冲降载策略，针对航行体高速入水缓冲降载问题开展
数值模拟，分析多孔泡沫结构在减小航行体入水冲击方面的效能。首先，基于 ALE 方法建立高速入水数
值计算模型并加以验证；然后，通过引入多孔泡沫缓冲结构，进而开展一系列航行体高速入水多孔泡沫
缓冲降载数值计算，分析多孔缓冲泡沫结构对航行体高速入水过程中的入水流场、动力学特性及入水砰
击载荷的影响；最后，通过与传统非多孔缓冲泡沫方案进行对比分析，进一步揭示多孔泡沫结构在降低
航行体高速入水时的砰击压力方面的优势，以期为航行体高速入水缓冲降载结构研究提供参考。

1 计算方法

1.1 控制方程
任意拉格朗日-欧拉方法很好地结合了拉格朗日方法与欧拉方法的优势，能够对复杂物理过程进行
有效模拟。具体控制方程如下。
质量守恒方程：
∂ρ ∂v i ∂ρ
= −ρ −w i (1)
∂t ∂x i ∂x i
动量守恒方程：
∂v i ∂v i
ρ = σ ij,j +ρb i −ρw i (2)
∂t ∂x j
能量守恒方程：
∂E ∂E
ρ = σ ij v i,j +ρb i v i −ρw j (3)
∂t ∂x j
式中：ρ 为水的密度，v 为水的流速，w 为流体质点与参考点的相对速度，下标 i、j 表示不同方向，b 为流体
j
体积力，E 为能量，x 为坐标 [18] 。应力张量 σ 用于描述流体或固体内部各点处的应力状态，其表达式为：
i
σ ij = −pδ ij +µ(v i,j +v j,i ) (4)
式中：p 为压力，δ 为克罗内克函数，μ 为黏度。
j
i

1.2 罚函数
在进行几何模型构建和网格细分的过程中，一个关键步骤是允许固体结构与流体结构的网格在空
间中相交或重叠。为了实现 2 种不同介质之间的有效耦合，并确保力学参数能够正常传递，通常采用罚
函数耦合 [19] 约束方法模拟固体与流体界面的动力学行为。罚函数法主要用于处理流体与固体相互作用
时界面上的不连续性问题，运用罚函数的方法 [20] 可以通过在界面上施加额外的界面力来补偿这种不连续。
罚函数约束方式的核心理念在于，一旦检测到固体与流体界面上存在表面穿透或相对位移，就需要
引入罚函数来调整界面力的大小，确保力的平衡。这种界面力的分布取决于穿透现象的严重程度，即界
面力的强度与表面穿透的程度成正比 [21] ，从而允许根据实际情况调整力的大小。通过追踪和调节固体
与流体之间的界面力，能够提高数值模拟的可靠性。

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