基于CEL方法的数值分析：在通风条件下，气垫车辆倾斜入水时裙部所承受的流体动力载荷及其响应

《Ocean Engineering》：CEL method-based numerical analysis on hydrodynamic load and response of skirt inclined water entry for air-cushion vehicles under venting conditions

水击载荷预测与柔性裙结构响应分析采用CEL方法耦合气体交换机制，揭示入水速度、气囊压力比、倾角等参数对冲击峰值压力和载荷持续时间的影响规律，建立三维水动力-结构耦合模型，为气垫车辆设计优化提供理论支撑。

　　空气垫船（Air-Cushion Vehicle, ACV）作为一种高性能的两栖运输工具，在水面上运行时表现出独特的动态特性。这些特性不仅影响其航行安全，还直接关系到整体操作性能。在水进入过程中，柔性裙边与水面接触，形成高冲击力的瞬态载荷。因此，研究柔性裙边在水进入时的响应行为，对于理解其结构性能和优化设计具有重要意义。
本研究聚焦于柔性裙边在倾斜水进入过程中的 slamming 响应，尤其是在实际的空气排放条件下。通过构建基于气体交换机制和耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法的数值模型，模拟内部气体动力学并预测裙边的变形与水动力载荷。同时，进行了参数敏感性分析，以评估不同设计参数对响应特性与冲击载荷的影响。研究结果表明，较高的水进入速度和船体质量会导致每个空气腔内的峰值压力增加；水进入速度显著影响峰值冲击载荷，并且速度越高，冲击载荷的持续时间越长。增加船体质量、压力比和倾斜角度，或降低充气装置的流量，也延长了冲击载荷的持续时间。此外，柔性裙边的变形强烈受到水进入速度、压力比和倾斜角度的影响。所提出的模型为模拟 ACV 裙边的复杂流体-结构-气体相互作用提供了一种有效的工具，并为性能评估和设计优化提供了有价值的工程指导。
空气垫船的水进入过程涉及多个复杂的物理现象，包括空气在进入水体时的流动、裙边的变形以及由此产生的冲击载荷。为了准确预测这些现象，必须考虑实际的空气排放机制。在传统研究中，柔性裙边通常被简化为密封结构，或者通过在裙边上施加恒定压力载荷来近似其形成状态。这种方法虽然在建模和计算效率上有一定优势，但在模拟实际空气排放条件下的裙边行为时，可能会导致较大的偏差。因此，有必要建立一种能够合理反映空气排放机制的数值模拟方法，以揭示在复杂流体-结构相互作用下的裙边非稳态响应特性。
随着计算能力的不断提升和数值模拟效率的提高，计算流体动力学（CFD）方法和工具已被广泛应用于研究涉及柔性裙边的流体-结构相互作用（FSI）问题。其中，CEL 方法因其在处理大变形、强非线性和复杂边界接触问题方面的优势，受到越来越多的关注和应用研究显示 CEL 方法在高速运动和严重非线性条件下具有良好的适应性和预测能力。然而，由于实验条件的限制，目前尚难以对柔性裙边在空气排放条件下的 slamming 行为进行系统研究。因此，有必要建立一种能够合理模拟空气排放机制的数值方法，以揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性。
本研究提出了一种考虑空气排放机制的裙边水进入冲击模型。该模型引入了柔性裙边内部的空气供应装置和气体交换机制，并采用基于 CEL 的 FSI 框架，实现了对柔性裙边在倾斜水进入过程中动态响应的高保真模拟。此外，还进行了参数敏感性分析，以系统揭示关键物理参数对裙边变形和载荷响应特性的影响模式。通过该模型，研究人员能够更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用提供参考。
在实际操作中，空气通过风扇持续注入空气袋，使其膨胀。随后，空气通过气囊上的孔隙流入空气垫，并最终通过裙边末端的排气口排放到外部环境，形成稳定的支撑系统。在此过程中，柔性裙边处于连续空气流入和流出的动态平衡状态，其中空气袋和空气垫的内部压力在相对稳定的范围内波动。然而，在大多数现有研究中，柔性空气袋通常被简化为密封结构，或者其形成状态被近似为在裙边上施加恒定压力载荷。这种简化虽然在建模和计算效率上有一定优势，在模拟实际空气排放条件下的裙边行为时，可能会导致较大的偏差。因此，有必要建立一种能够合理反映空气排放机制的数值模型，以揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性。
柔性裙边的结构和形状对水进入过程中的动态响应有重要影响。为了提高计算效率，本研究将模型宽度设置为单个手指的跨度，以构建单手指模型。这种模型能够有效减少计算量，同时避免可能的收敛问题。在 CEL 模型中，计算成本对元素数量高度敏感，因此通过简化模型结构，可以在保证精度的同时降低计算资源的消耗。此外，本研究还分析了不同设计参数对裙边响应特性与冲击载荷的影响，包括水进入速度、船体质量、材料弹性模量、空气袋压力比、倾斜角度以及充气装置的流量。通过这些参数的敏感性分析，研究人员能够更全面地理解柔性裙边在不同操作条件下的动态行为，并为实际工程应用提供参考。
在实际应用中，空气垫船的运行环境复杂多变，尤其是在水进入过程中，空气的流动、裙边的变形以及由此产生的冲击载荷需要被准确预测。因此，建立一个能够合理模拟空气排放机制的数值模型，对于揭示柔性裙边在复杂 FSI 条件下的非稳态响应特性至关重要。通过该模型，研究人员可以更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用提供参考。此外，该模型还可以为空气垫船的设计优化提供重要的工程指导，帮助工程师更好地理解柔性裙边在水进入过程中的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
空气垫船的运行依赖于稳定的空气垫系统，而柔性裙边作为这一系统的关键组成部分，其动态响应直接关系到整个船体的结构安全和使用寿命。因此，准确预测柔性裙边在水进入过程中的冲击载荷和变形特性，对于优化设计和评估安全性具有重要意义。本研究通过建立一个考虑空气排放机制的数值模型，能够更真实地反映柔性裙边在倾斜水进入过程中的动态响应行为。该模型结合了空气供应装置和气体交换机制，并采用基于 CEL 的 FSI 框架，实现了对柔性裙边动态响应的高保真模拟。此外，通过参数敏感性分析，研究人员能够系统揭示关键物理参数对裙边变形和载荷响应特性的影响模式，从而为实际工程应用提供更全面的参考。
在实际操作中，空气垫船的运行环境复杂多变，尤其是在水进入过程中，空气的流动、裙边的变形以及由此产生的冲击载荷需要被准确预测。因此，建立一个能够合理模拟空气排放机制的数值模型，对于揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性至关重要。通过该模型，研究人员可以更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用提供参考。此外，该模型还可以为空气垫船的设计优化提供重要的工程指导，帮助工程师更好地理解柔性裙边在水进入过程中的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
在传统研究中，柔性裙边的建模往往过于简化，忽略了空气排放机制对整体动态响应的影响。这种简化虽然在建模和计算效率上有一定优势，但在模拟实际空气排放条件下的裙边行为时，可能会导致较大的偏差。因此，有必要建立一个能够合理反映空气排放机制的数值模型，以揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性。通过该模型，研究人员可以更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用提供参考。此外，该模型还可以为空气垫船的设计优化提供重要的工程指导，帮助工程师更好地理解柔性裙边在水进入过程中的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
本研究的模型能够有效处理柔性裙边在倾斜水进入过程中的复杂流体-结构-气体相互作用，为实际工程应用提供更准确的预测工具。通过参数敏感性分析，研究人员能够系统揭示关键物理参数对裙边变形和载荷响应特性的影响模式，从而为设计优化提供有价值的参考。此外，该模型还可以为空气垫船的运行安全评估提供支持，帮助工程师更好地理解柔性裙边在不同操作条件下的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
在实际应用中，空气垫船的运行环境复杂多变，尤其是在水进入过程中，空气的流动、裙边的变形以及由此产生的冲击载荷需要被准确预测。因此，建立一个能够合理模拟空气排放机制的数值模型，对于揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性至关重要。通过该模型，研究人员可以更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用提供参考。此外，该模型还可以为空气垫船的设计优化提供重要的工程指导，帮助工程师更好地理解柔性裙边在水进入过程中的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
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在实际操作中，空气垫船的运行环境复杂多变，尤其是在水进入过程中，空气的流动、裙边的变形以及由此产生的冲击载荷需要被准确预测。因此，建立一个能够合理模拟空气排放机制的数值模型，对于揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性至关重要。通过该模型，研究人员可以更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用提供参考。此外，该模型还可以为空气垫船的设计优化提供重要的工程指导，帮助工程师更好地理解柔性裙边在水进入过程中的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
本研究的模型能够有效处理柔性裙边在倾斜水进入过程中的复杂流体-结构-气体相互作用，为实际工程应用提供更准确的预测工具。通过参数敏感性分析，研究人员能够系统揭示关键物理参数对裙边变形和载荷响应特性的影响模式，从而为设计优化提供有价值的参考。此外，该模型还可以为空气垫船的运行安全评估提供支持，帮助工程师更好地理解柔性裙边在不同操作条件下的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
在实际操作中，空气垫船的运行环境复杂多变，尤其是在水进入过程中，空气的流动、裙边的变形以及由此产生的冲击载荷需要被准确预测。因此，建立一个能够合理模拟空气排放机制的数值模型，对于揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性至关重要。通过该模型，研究人员可以更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用提供参考。此外，该模型还可以为空气垫船的设计优化提供重要的工程指导，帮助工程师更好地理解柔性裙边在水进入过程中的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
本研究的模型能够有效处理柔性裙边在倾斜水进入过程中的复杂流体-结构-气体相互作用，为实际工程应用提供更准确的预测工具。通过参数敏感性分析，研究人员能够系统揭示关键物理参数对裙边变形和载荷响应特性的影响模式，从而为设计优化提供有价值的参考。此外，该模型还可以为空气垫船的运行安全评估提供支持，帮助工程师更好地理解柔性裙边在不同操作条件下的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
在实际操作中，空气垫船的运行环境复杂多变，尤其是在水进入过程中，空气的流动、裙边的变形以及由此产生的冲击载荷需要被准确预测。因此，建立一个能够合理模拟空气排放机制的数值模型，对于揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性至关重要。通过该模型，研究人员可以更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用提供参考。此外，该模型还可以为空气垫船的设计优化提供重要的工程指导，帮助工程师更好地理解柔性裙边在水进入过程中的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
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本研究的模型能够有效处理柔性裙边在倾斜水进入过程中的复杂流体-结构-气体相互作用，为实际工程应用提供更准确的预测工具。通过参数敏感性分析，研究人员能够系统揭示关键物理参数对裙边变形和载荷响应特性的影响模式，从而为设计优化提供有价值的参考。此外，该模型还可以为空气垫船的运行安全评估提供支持，帮助工程师更好地理解柔性裙边在不同操作条件下的动态特性，并据此调整设计参数以提高性能和安全性。
在实际操作中，空气垫船的运行环境复杂多变，尤其是在水进入过程中，空气的流动、裙边的变形以及由此产生的冲击载荷需要被准确预测。因此，建立一个能够合理模拟空气排放机制的数值模型，对于揭示在复杂 FSI 条件下的裙边非稳态响应特性至关重要。通过该模型，研究人员可以更准确地评估柔性裙边在不同操作条件下的响应行为，并为实际工程应用