Impact force reduction by consecutive water entry of spheres
自由下落的物体撞击到水池上时会受到非常高的初始冲击力，在突破自由表面时最大。许多人直觉地想知道，在撞击水面之前将另一个物体扔到一个重要物体（比如你自己）前面是否可以减少这种高冲击力。在这里，我们通过允许两个球体连续进入水中并测量尾随球体上的力来测试这个想法。我们发现，对尾随球的冲击加速度的减少取决于由第一个球和第二个球的影响的相对定时所创建的腔的动力学。这些综合效应被无量纲的“Matryoshka”数捕捉，它将观察到的现象分为四个主要区域。在这些制度中的三个，我们发现，第二个球体上的冲击加速度减少了高达78%，相对于在静止的水面上的冲击。令人惊讶的是，在其中一种情况下，在观察到的最坏情况下，拖尾球体上的力急剧增加超过400%。我们解释了如何在观察到的变化，在这个多体入水问题的冲击力的空腔演变的各个阶段的结果。
2020-07-03 physics.flu-dyn
Numerical Investigation of Water Entry of Hydrophobic Spheres
本研究使用ANSYS和VOF模型数值模拟疏水球体入水过程，发现疏水球体因形成空气空腔减少接触面积，其阻力系数显著低于亲水球体。
2023-06-27 physics.flu-dyn
Slamming Forces During Water Entry of a Simple Harmonic Oscillator
本研究针对钝体入水砰击力问题，以简谐振子为对象通过实验与理论结合研究撞击物弹性的影响，发现软化撞击物未必降低峰值力，其转变由关联水动力与弹性时间尺度的临界水弹性因子界定。
2023-11-27 physics.flu-dyn
Water entry of small disks, cones, or anything
本文提出一种基于修正Bond、Weber和Froude数的统一缩放方法，可准确预测多种撞击体入水时的空腔坍塌机制、夹断时间与深度，证明水动力学特性而非几何形状决定空腔全局行为。
2025-10-31 physics.flu-dyn
Acoustic Signatures of Pinch-Off Cavities During Water-Entry
College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University（哈尔滨工程大学船舶工程学院）；Nanhai Institute of Harbin Engineering University（哈尔滨工程大学南海研究院）；Southampton Ocean Engineering Joint Institute, Harbin Engineering University（哈尔滨工程大学南安普顿海洋工程联合学院）；National Key Lab of Ship Structural Safety, Harbin Engineering University（哈尔滨工程大学船舶结构安全国家重点实验室）
本研究通过实验、数值和理论方法分析了水入口时空腔动态及声学辐射特性，揭示了边界效应影响空腔频率与弗劳德数的关系。
2026-02-27 physics.flu-dyn
Dynamics of Water Entry
与球体的入水相关联的流体动力学可以相对于球体的材料和运动学特性而高度可变。这一系列的五个流体动力学视频说明了几个微妙的，但有趣的变化。第一系列视频对比了亲水性和疏水性球体之间的影响性质，并说明了表面涂层如何影响是否形成空气腔。第二个视频系列说明了旋转和表面处理如何改变入水后的飞溅和空腔形成。由于无滑移条件，旋转的球体导致流体楔形物被吸入腔体中，并遵循弯曲的轨迹。非旋转球体在左半球和右半球上具有两种不同的表面处理：左半球是疏水的，右半球是亲水的。有趣的是，对半球体的空腔形成与旋转球体有许多相似之处，特别是从上面看时。第三个视频系列比较了两个毫米级尼龙球以略有不同的撞击速度（Uo = 40和45 cm/s）撞击;较快的球体完全穿透自由表面，形成空腔，而较慢的球体则没有。第四系列显示了由具有疏水涂层的毫米钢球体以Uo = 600 cm/s冲击形成的细长进水腔的不稳定性。细长的腔沿着其体面形成多个夹断点。最后，具有疏水涂层的毫米钢球以Uo = 350 cm/s的冲击速度破坏自由表面。空腔在表面以下夹断，产生沃辛顿射流，由于瑞利-高原不稳定性而夹断成液滴。
2008-10-15 physics.flu-dyn
On applicability of von Karman's momentum theory in predicting the water entry load of V-shaped structures with varying initial velocity
水陆两栖飞机的水上着陆是一个复杂的问题，由于大的垂直加速度和随之而来的动态响应，可能导致不舒适的乘坐情况和结构损坏。本文通过求解非定常不可压雷诺平均纳维-斯托克斯方程和标准k-Ω湍流封闭模型来研究问题。文中还采用了由冯·卡门动量理论建立的理论解。为了验证垂直初速度与垂直加速度峰值之间的关系，首先给出了二维对称楔形体斜入和三维舱段垂直入的自由降落试验例。最大加速度发生的其他参数，如时间，穿透深度，速度，也进行了评估。为此，研究了水陆两栖飞机水上着陆事件的定量关系。给出了自由面形状和压力分布的详细结果，以显示砰击效应。结果表明，对于二维楔形体、三维舱段和V型船体的水上飞机，最大加速度与初始垂直速度的平方成线性关系。此外，相应的速度和初始垂直速度之间的比率趋于一个恒定的阈值，5/6，从理论解推导出，当在所有三种情况下增加初始垂直速度。
2022-08-25 physics.flu-dyn
Formulations of Hydrodynamic Force in the Transition Stage of the Water Entry of Linear Wedges with Constant and Varying Speeds
针对水上飞机着水、船体砰击相关理论对二维入水模型的需求，本文数值研究了恒速与变速线性楔形体入水过渡阶段，推导了两类撞击下的水动力公式，提出了适用于5°-70°底升角的砰击与过渡阶段通用水动力表达式。
2022-01-04 physics.flu-dyn
Gas injection and leakage in layered aquifers
向盐水层注入二氧化碳（CO2）是减缓人为气候变化的一种方法。为了确保安全储存这些CO2，重要的是要了解CO2注入和迁移与地质分层的相互作用。例如，Sleipner试点项目的地震监测表明，注入的二氧化碳正在一系列薄的中间密封层上积聚并泄漏。在这里，我们开发了一个弱可压缩，两相流体迁移系统的层状含水层的重力流模型。我们的模型包括垂直泄漏的水和气体密封，后者是受毛细管进入阈值。我们表明，毛细管压力的建立是非常敏感的电导率和连通性的水膜在气体区域。我们确定了两个相关的限制情况下，气体完全或根本不阻碍水流。然后，我们探讨的参数，支配气体泄漏和由此产生的流体分布-证明这个问题涉及到压力耗散，毛细管压力建设，和流体迁移之间的复杂的相互作用。我们表明，降低气体区域中水的相对渗透率可以引发气体泄漏或显着增加气体泄漏量。最后，我们将我们的模型应用于预期的Sleipner岩石特性，并表明CO2注入可能会建立足够的毛细管压力来侵入密封-这表明，与传统观点相反，CO2可能会在没有集中导管的情况下泄漏到Sleipner的中间密封。
2019-08-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Water entry of small hydrophobic spheres on an axisymmetric wavefield
Brown University（布朗大学）；Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；Naval Undersea Warfare Center（海军水下战中心）
研究球体撞击带表面波的水面时空气卷入情况，通过分析不同参数下形成的空腔，发现局部界面变形受飞溅幕几何调制影响空气卷入，证明波影响由局部波斜率描述，结合韦伯数和邦德数建立预测框架。
2026-10-08 physics.flu-dyn
Levitating Drop in a Tilted Rotating Tank - Gallery of Fluid Motion Entry V044
内径D = 4英寸的圆柱形丙烯酸储罐。安装成其对称轴线与垂直面成一定角度。混合罐与[1]中所述的相同。向混合罐中加入200 mL 1000 cSt硅油，并在油体积中加入5 mL去离子水。允许水滴静止，然后电机以固定频率= 0.3 Hz绕其对称轴旋转罐。因此，雷诺数固定在Re ~ 5左右，产生层流条件。CCD相机（PixeLink）用于捕获每个实验的视频。
2011-10-16 physics.flu-dyn
A two-dimensional analytical model of vertical water entry for asymmetric bodies with flow separation
考虑了非对称二维物体垂直入水时的分离流动。只要没有流动分离，线性化的Wagner理论与修正的Logvinovich模型相结合，已被证明可以在入水过程中提供计算快速和可靠的砰击载荷估计。Tassin等人（2014年）引入了Fictionary Body Continuation（FBC）概念，作为将Wagner模型的使用扩展到分离流配置的一种方式，但他们只考虑对称体。在本研究中，我们调查的能力，FBC的概念，提供准确的估计砰击载荷的非对称机构。在这种情况下，流动分离可能不会同时发生在主体的两侧。在中间阶段，砰击载荷由局部流分离引起的局部压降和润湿面积的持续膨胀之间的竞争决定。作为该模型的第一个基准，我们考虑了一个倾斜的平板的水进入和比较FBC估计与非线性模型的结果。然后，我们考虑的情况下，箔和比较FBC的结果与计算流体动力学的预测。在这两种情况下，我们发现，FBC模型是能够提供可靠的估计砰击载荷。
2019-09-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Fluid dynamics of diving wedges
潜水在入水过程中产生很大的压力，伴随着空腔的产生和从自由水面喷射出的水飞溅。为了尽量减少冲击力，潜水员在冲击时流线型。在这里，我们调查的冲击力和飞溅的演变作为楔打开角的函数的潜水楔。随着楔角的减小，观察到从冲击到平滑进入的逐渐过渡。在浸没之后，潜水楔经受的拖曳力比浸没楔小得多（小两倍）。我们的实验结果相比，有利的现有的力模型后，引入基于几何校正。我们的实验特征的形状的空腔和飞溅所创建的楔形，并发现它们是独立的入口速度在短时间内，但飞溅表现出明显的变化在稍后的时间在形状。我们提出了一个一维模型的飞溅，考虑到重力，表面张力和空气动力学的力量。该模型显示，在与实验数据相结合，飞溅的形状是由一个不稳定的文丘里吸力之间的相互作用，由于飞溅和水面之间的空气冲和稳定的力量，由于表面张力。总之，这些发现可以指导未来的研究，旨在了解和结合应用于工程和生物相关问题的所有阶段的水进入的机制，包括海军工程，疾病传播或平台潜水。
2017-08-08 physics.flu-dyn
Parametric study on the water impacting of a free-falling symmetric wedge based on the extended von Karman's momentum theory
本文研究对称楔形体在水中撞击时的峰值加速度。这方面对于安全海上交通工具的设计考虑可能是重要的。本文首先采用有限体积法离散不可压纳维-斯托克斯方程，并采用流体体积法捕捉空气-水界面，对入水问题进行了数值研究。通过与楔形体自由降落入水实验数据的比较，验证了网格尺寸和时间步长的选择。文章的主要原创贡献涉及推导出azmax（以及azmax发生时的相关参数）、初始速度、端升角和楔块质量的关系，该关系基于冯卡门动量理论的变换，该理论扩展为包括堆积效应。堆积系数，这已被证明依赖于的情况下，以恒定的速度入水的死升角，然后研究的自由降落运动和依赖关系的法律从Dobrovol'skaya推导仍然是有效的变化死升角。采用扩展的von Karman动量理论，对初始速度、横升角和质量的较大范围内的运动学参数进行了合理的理论估算，该理论方法是原始von Karman方法和Dobrovol'skaya解的结合，可以推广到预测整个碰撞阶段的运动学参数。
2023-01-30 physics.flu-dyn
Water entry and exit of 2D and axisymmetric bodies
本文致力于发展一个数值模型的水冲击的二维（2D）和轴对称机构与强加的运动。这项工作是第一步，实现了一个2D+T程序用于分析飞机开沟。该问题是在无粘性和不可压缩流体的假设下研究的，这是由一个完全非线性边界条件的自由表面的势流模型建模。非定常边界值问题的自由表面的数值求解通过边界元法，耦合到一个简化的有限元方法来描述射流的最薄的部分。该研究旨在描述进入和退出阶段。具体的数值解的开发，以解决出口阶段，并提高模型的稳定性。结果提出的自由表面形状，压力分布和水动力载荷作用在碰撞体。该模型用于研究二维楔形体和轴对称圆锥体的入水和出水，其数值或实验结果可在文献中找到。数值研究表明，所提出的模型准确地模拟了入口和出口阶段。对于出口阶段，它表明，所提出的模型，是完全非线性的，提供了一个更好的预测的负载和润湿面积相比，简化（分析）的方法。重力的影响，通常在文献中提供的方法中缺失，也进行了研究，显示它们是相当重要的，特别是在出口阶段。
2021-05-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Gas density influences the transition from capillary collapse to surface seal in microfluidic jet impacts on deep pools
本文通过Basilisk C数值模拟研究了射流冲击深水池时气体密度和韦伯数对空腔坍塌机制的影响，揭示了毛细管主导的深层密封与气体夹带主导的表面密封两种状态，并给出了基于韦伯数的标度关系。
2023-10-27 physics.flu-dyn
Simulating water-entry/exit problems using Eulerian-Lagrangian and fully-Eulerian fictitious domain methods within the open-source IBAMR library
在本文中，我们采用两种实现的虚拟域（FD）的方法来模拟入水和出水问题，并证明他们的能力，以模拟实际的海洋工程问题。在FD方法中，流体动量方程在固体域内使用附加的体积力来扩展，该体积力将结构速度约束为刚体速度。使用此公式，在整个计算域上求解单个方程组。约束力的计算有两种不同的方法：一种是使用浸没边界（IB）方法的欧拉-拉格朗日框架，另一种是使用布林克曼惩罚（BP）方法的完全欧拉方法。两种FSI策略都使用相同的多相流算法，该算法以保守形式求解离散不可压缩Navier-Stokes系统。采用一致的输运格式来对流质量和动量，保证了海洋工程实际应用中高密度比多相流的数值稳定性。对自由下落的楔形体（直的和倾斜的）和圆柱体的例子进行了模拟，并将数值结果与文献中的基准情况进行了比较。
2019-07-03 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Water Entry Dynamics of Superhydrophobic and Lubricant-Impregnated Surfaces: A Theoretical and Experimental Perspective
本文通过实验和理论方法研究超疏水与润滑剂浸渍铝球撞击液面的动力学，分析射流、空腔及减阻效应，为流体润滑和表面工程提供见解。
2025-08-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A noise reduction method for force measurements in water entry experiments based on the Ensemble Empirical Mode Decomposition
本文提出了一种基于EEMD（Encouragement Empirical Mode Decomposition）的去噪策略，用于去除飞机紧急迫降缩比模型试验中测得的非平稳信号中的背景噪声。在12 m/s的恒定水平速度和0.45 m/s的冲击开始时的垂直速度下进行开沟试验。测量数据受到大幅度宽带噪声的影响，该噪声具有机械和电子两种来源。噪音源无法轻易避免或消除，因为它们与牵引车结构的振动以及测量链和电磁场之间的相互作用有关。EEMD降噪方法基于将信号分解为模式，并基于使用残余、信号主导模式和用阈值技术处理的一些进一步模式的部分重建，这有助于保留信号的一些尖锐特征。该策略首先在具有叠加且已知背景噪声的合成信号上开发和测试。当机身在空中移动时，通过测量作用在机身上的惯性力来验证该方法，因为在这种情况下，附加质量可以忽略不计，去噪力应等于质量与加速度的乘积，两者都是已知的。最后，该程序被应用到实际开沟实验过程中测得的力去噪。结果优于其他经典的滤波方法，如移动平均滤波器和低通FIR滤波器，特别是由于增强的EEMD去噪策略的能力，在这里开发，以保持尖锐的特征的信号，并减少残留的低频振荡的杂散来源。
2022-01-05 eess.SP physics.flu-dyn
High-speed ditching of double curvature specimens with cavitation and ventilation
本文实验研究三种双曲率机身试件在高速入水时的压力、载荷及空化通气规律，揭示曲率、俯仰角和速度的影响，并评估平板载荷缩放与几何相交面积的适用性。
2025-09-01 physics.flu-dyn
A fully nonlinear iterative solution method for self-similar potential flows with a free boundary
提出了一种求解具有自由边界的自相似流完全非线性边值问题的迭代解方法。具体而言，该方法是开发应用到水的进入问题，可以研究的假设下，一个理想的和不可压缩的流体可以忽略不计的重力和表面张力的影响。该方法是基于一个伪时间步进程序，它使用边界积分方程法的拉普拉斯问题的解决方案，在每次迭代的速度潜力。为了证明的灵活性和能力的方法，几个应用程序：经典的楔形入口问题，这也是用于验证的方法，块沿倾斜的海床滑动，垂直水进入平板和开沟的倾斜板。该解法也适用于物体表面是多孔或穿孔的情况。与文献中的数值或实验数据的比较，验证的目的。
2013-01-19 math-ph math.MP nlin.CD
The drainage of glacier and ice sheet surface lakes
冰上湖泊在储存融水、促进表面融化，并最终通过向冰下环境注入水和促进断裂来驱动冰流和冰架融化方面发挥着核心作用。在这里，我们开发了一个模型，通过一个表面通道的耗散驱动切口的冰上湖泊的排水。该模型由圣维南方程的通道中的流量，由上游湖水库，再加上一个方程的演变通道海拔由于平流，隆起，向下融化。减少到“流功率”型双曲线模型后，我们表明，湖泊排水发生在一个临界供水率以上的湖泊由于向后迁移的冲击，切割湖封。临界供水率取决于平流速度和隆起（或更准确地说，湖泊下游的水位下降），以及模型参数，如渠道壁粗糙度和参数定义的渠道横截面和湿周之间的关系。一旦湖泊排水确实发生，它可以继续，直到湖泊是空的，或提前终止，导致湖泊填充和排水的振荡周期，后者有利于大湖泊体积和相对较小的供水率。
2021-10-29 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Experimental investigation of the water exit of the accelerating circular cylinder
本研究通过高速PIV实验，系统研究了恒定加速度下圆柱体出水过程中的涡旋动力学，发现环量增长遵循冲量标度，且轨迹主要垂直，为出水涡旋提供了系统框架。
2025-09-09 physics.flu-dyn
Effect of ambient gas on cavity formation for sphere impacts on liquids
球体撞击液体后形成飞溅冠和空腔是一个经典问题。在液滴在平坦表面上飞溅的相关问题中，已经确定周围气体的性质可以影响飞溅阈值。在较低的冲击速度下，这主要是由于气体动力学效应的影响，因为在动态润湿期间移动的气体润滑膜的高度通常与气体的平均自由行程相当。另一方面，在较高的韦伯数和雷诺数下，惯性效应占主导地位，气体密度在确定是否发生飞溅方面变得重要。本文利用高速摄影技术研究了稀薄大气中球体撞击液体的过程。研究发现，空腔形成的阈值进入速度受周围气体密度的影响，而改变气体的平均自由程没有影响。我们将这种现象归因于气体减缓了球体后面薄冠层的密封。这一论断与液体片厚度的实验测量得到支持。在所考虑的参数范围内，飞溅冠影响接触线的移动，这是以前没有观察到的效果。
2022-10-27 physics.flu-dyn
A new engineering theory describing oblique free surface impact by flexible plates
本文针对柔性板斜向入水砰击问题，利用隐式分区流固耦合模拟揭示冲击力与变形机制，并提出一种新的简化工程理论。
2021-11-02 cs.CE cs.NA math.NA
Influence of surfactant kinetics on rapid interface creation via microjet impact on liquid pools
本研究通过亚毫米射流冲击含表面活性剂液池的实验，揭示不同吸附动力学的表面活性剂对空腔动态特性的影响差异，并用简谐振子模型准确描述深密封区空腔回缩规律。
2025-10-29 physics.flu-dyn
