超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明：在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。     

基于6DOF超空泡射弹减阻性能分析

为了研究射弹运动过程中的空泡形态和减阻性能,基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型和6DOF动网格技术,利用Fluent14.0对带圆锥空化器射弹进行了数值研究.分析了超空泡射弹在运动过程中空泡的形成和溃灭过程、射弹的弹道及与全沾湿下射弹速度衰减对比.结果表明随着射弹的运动,弹后空泡逐渐溃灭,射弹有上浮趋势,且射弹减速度逐渐减小,与全沾湿相比,超空泡减阻率高达70.1％.该结果对研究动态超空泡提供了一定的理论依据.     

不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究

为研究射弹头型对低速倾斜入水空泡及弹道特性的影响,基于高速摄像方法,开展不同头型射弹低速倾斜入水对比试验,得到了射弹头型对入水空泡、运动速度、俯仰角和阻力系数的影响规律。试验结果表明：同一入水时刻,空泡直径随着头部锥角增加而增大,半球头型射弹入水空泡直径小于锥角头型射弹;锥角头型射弹速度衰减速率随着锥角增加而增大,半球头型射弹速度衰减率小于锥角头型射弹;入水过程中半球头型射弹俯仰角变化最为剧烈,弹道稳定性也较差;不同头型射弹在入水过程中运动参数呈现出较强的非线性特性。     

水下航行体垂直发射尾部流场数值计算

采用Mixture多相流模型和动网格技术求解非定常RANS方程,对航行体水下垂直发射过程进行数值模拟,研究了尾部形状和尾空泡初始压力对航行体尾部流场、轴向速度等的影响.计算结果与试验结果吻合较好,结果表明尾部形状决定了航行体尾空泡的生成演化过程,进而影响航行体尾部压力和轴向运动速度;尾空泡初始压力越大,出筒后航行体轴向速度最大值越大,尾部压力振荡周期越长.     

高速射弹表面超空泡形成特性的数值计算分析

基于均质平衡多相流理论,建立了水下高速射弹超空泡形成过程的数理模型,对12.7 mm口径射弹进行了水下射击试验,验证了模型的合理性。对不同速度的76 mm射弹进行了数值模拟。结果表明:在弹丸表面,沿轴线各点依次产生空化现象,但在弹丸头部区域内各点水蒸气含量呈线性增加; 在弹丸圆柱部区域,各点水蒸气含量先快速上升至0.3～0.4,随后维持平台期,再快速上升。射弹速度越快,平台期越短,超空泡形成得越快,超空泡形成时间满足指数型变化规律。在弹丸头部,空泡发展速率由快速的线性衰减阶段过渡到近似呈缓慢线性衰减的阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第一阶段中衰减得越快,衰减幅度也越大,而第二阶段中的衰减速度几乎不变。在弹丸圆柱部,空泡发展速率的变化分为快速衰减阶段与缓慢衰减阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第二阶段中衰减得也越快。弹丸表面摩擦阻力系数变化特性与弹丸圆柱部空化特性相对应。弹丸速度越快,阻力系数衰减越快,达到稳定时的值也越小; 当速度高于1 100 m/s后,阻力系数达到稳定的时间几乎不变,达到稳定时的数值变化也不大。     

水下高速射弹超空泡流特性分析

基于Rayleigh—Plesset方程的单一介质可变密度混合模型，建立了水下高速射弹自然空化流动的多相流模型，通过商业软件Fluent自定义函数将边界条件中的来流速度改写为时间函数并嵌入到软件中，分析了射弹在水下高速运动过程中超空泡几何形态的变化规律及其阻力特性，仿真结果表明：超空泡的相对长度、相对直径以及长细比随空化数增加而减小；超空泡的长细比越大，射弹的阻力系数越小；随着射弹速度衰减，射弹总阻力系数增大。     

弹裙结构参数对挤压阻力的影响研究

为研究射弹弹裙结构参数对挤压阻力的影响,建立了锥膛炮的身管及射弹耦合模型。分析了弹裙受到的阻力及弹后空间变化的火药气体压力分布情况,将此作为力载荷作用于模型。塑性材料选用广泛采用的Johnson-Cook本构模型,采用有限元软件ABAQUS的动态显式算法进行求解,将仿真结果与内弹道编程计算出的位移、速度结果进行对比,验证了仿真模型的正确性。探究了不同弹裙锥角、不同弹裙尾部宽度和两者同时变化对挤压变形阻力的影响。结果表明,不同弹裙结构参数对挤压阻力有较大影响,最大挤压阻力与弹裙总长有关。     

小口径尾翼弹与尾裙弹的弹道特性分析

作为新一代的高超音速小口径杆式脱壳穿甲弹,其弹芯结构目前主要为尾翼式和尾裙式两种形式.显然不同的结构形式在飞行弹道上的弹道特性是不一样的,但在理论上弄清这种尾部结构上的差异(尾翼与尾裙)究竟对弹芯在飞行弹道上的空气动力特性、飞行稳定性特性、速度降特性等有多大影响,以及将二者在结构简易性、成本等多方面的综合因素对比分析,对帮助最终确定采用哪种尾部结构方案,是有一定参考意义的.该文主要根据查阅到的一些研究文献,结合理论分析与计算,对两弹的外弹道特性作了综合对比分析.     

衡重参数对超空泡射弹有效射程的影响

为研究衡重参数对超空泡射弹有效射程的影响,基于流体体积多相流模型和刚体空间运动方程组,建立超空化流场和刚体运动相耦合的仿真方法,通过与文献\[23\]试验结果对比验证仿真方法的合理性。通过仿真计算研究超空泡射弹的水下弹道运动特性,获得质心位置、质量等典型衡重参数对射弹有效射程的影响规律。研究结果表明：超空泡射弹的水下弹道具有稳定尾拍现象,尾拍的波长和振幅近似恒定;后移质心可有效增加超空泡射弹的水下增程,质心位置后移9%,水下射程提高14%;增加射弹质量可显著增加水下射程,质量增大150%,水下射程提高70%。     

水下连发射弹的超空泡流动特性研究

基于Fluent流体仿真软件,采用用户自定义函数控制的动网格技术,对水下连发射弹的超空泡流场进行了数值模拟。通过与1组实验工况的比较,证实了所采用的数值模拟计算方法的可靠性。分析了两连发和3连发射弹情况下,超空泡流场的相互作用及其变化机理;得出了射弹超空泡无量纲长度在超空泡流场作用下的变化特点,计算出了流场的速度变化曲线和速度矢量等。研究结果表明：两射弹间的超空泡融合后,会在超空泡尾部区产生高速回射流并产生大量旋涡。这些旋涡引起的扰动能致使后续超空泡快速溃灭,表明了超空泡的极其不稳定性。后面的射弹进入前面射弹的空泡内后,其阻力系数达到最小值。当两连发超空泡射弹通过扰动区域时,前后超空泡都受到干扰,从而造成了它们的阻力系数增减。     

跨介质航行器出入水连续弹道试验与仿真

为研究跨介质航行器出入水连续弹道特性,搭建高速入水弹道试验平台,并设计带有内测系统的试验模型,对跨介质航行器出入水连续弹道过程进行试验研究。建立耦合求解流场和航行器运动的非定常数值仿真模型,研究航行器出入水连续弹道的运动规律与流体动力特性,并通过试验结果验证其准确性。研究结果表明：新提出的跨介质航行器实现了入水-转平-出水连续弹道过程,其弹道轨迹呈类抛物线状,入水最大深度为0.9 m;航行器出入水连续弹道运动可分为入水滑行阶段、呈双侧尾拍运动的超空泡航行阶段以及单侧尾拍运动的出水阶段;航行器流体动力特性呈脉冲式振荡特性,由圆锥段、圆柱段以及尾裙段构成尾部流体动力;预置舵角与尾裙的组合形式能够提高跨介质航行器连续出入水的稳定性。     

基于ALE方法的弹性圆柱壳入水时的流固耦合模拟

为了获得头型及材料弹性对圆柱壳入水过程中头部变形、压力分布、入水空泡形态及入水运动状态的影响,采用ALE方法,基于有限元软件ANSYS\LS-DYNA,对平头、120°锥角、90°锥角弹性圆柱壳的入水过程进行了数值模拟,对平头弹性圆柱实体和平头刚性圆柱壳进行计算,并对模拟结果进行对比。结果表明:入水过程中空泡直径随着锥角的增大而增大,锥角越大,圆柱壳上表面的变形越大,最大变形出现的时间越早:平头弹性圆柱壳在0.1 ms时出现最大变形0.84 mm,120°锥角弹性圆柱壳在0.3 ms时出现最大变形0.54 mm,90°锥角弹性圆柱壳在0.5 ms时出现最大变形0.43 mm; 下表面受到的压力越大,圆柱壳的速度衰减越快; 平头圆柱壳下表面的变形与振动频率大于上表面; 上表面的变形是由惯性引起的,下表面的变形是由流体冲击力引起的。     

水下射弹典型空化器的超空泡形态特性分析

基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空泡流动的多相流CFD模型,研究了圆锥和圆盘2种头形空化器的超空泡形态特性,分析了空化数、头形、半锥角、空化器直径等对超空泡形态特性的影响,圆盘空化器有利于水下射弹形成超空泡流.在此基础上,通过FLUENT软件的自定义函数将边界条件的采流速度转化为时间的函数,数值模拟了圆盘空化器水下射弹的空泡流发展过程,分析了射弹在水下运行过程中空泡形态的变化特性.结果表明,射弹在水下航行中,表面形成的超空泡长径比很大,随着空化数的增加,超空泡流迅速衰减.     

水下超空泡高速射弹数值分析与试验

利用Fluent软件对水下超空泡高速射弹流场超空泡特性、尾拍、水下有效射程进行了分析,并进行了试验验证。在此基础上展望了超空泡技术应用于水下高速射弹的前景。     

基于6DOF的高速射弹入水超空泡特性研究

根据非定常不可压缩流动的N-S方程和k-epsilon湍流模型,利用VOF多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型,采用6DOF动网格,对反鱼雷射弹的入水过程进行了仿真。主要研究了两种具有不同空化器形状的射弹分别在入水角为30°和60°的工况下超空泡的形态和发展过程,以及阻力系数的变化情况。将仿真得到的空泡轮廓同经验公式计算结果进行对比,将仿真所得的弹体运动速度同在靶场进行实弹射击的测速结果进行对比,论证仿真程序的可靠性。结果表明:仿真结果与经验公式计算结果、实弹射击结果吻合程度较好,仿真成果可靠性较高;空化器形状对于阻力系数的大小有较大影响,入水角度对阻力系数的变化趋势有较大影响;弹体完全入水后升力系数、阻力系数因尾拍扰动而在一定范围内振荡,大入水角下弹体尾翼对水面的撞击较小入水角下剧烈。研究结果可为进一步研究反鱼雷射弹结构和超空泡射弹的优化提供必要参考。     

水下垂直发射航行体尾空泡振荡演化特性

为研究水下垂直发射航行体尾空泡的瞬态振荡演化特性,及其对航行体流体动力、航行体上游流动的影响,基于势流边界元,提出了附着尾空泡航行体流场的瞬态计算方法。通过对垂直向水面运动的尾空泡瞬态振荡过程开展数值计算,分析尾空泡振荡对上游物面压力、沾湿区阻力以及空泡发展3方面的影响规律。结果表明：尾空泡振荡会引起上游物面压力在随环境静压下降的同时叠加一定幅值的压力波动,压力波动在空间上呈近似指数分布,越接近尾空泡的位置,压力波动越大;尾空泡振荡使得航行体沾湿区的阻力呈现在振荡中逐渐增大的变化趋势;尾空泡的振荡会导致肩空泡发展速度相比无振荡状态减缓,同时泡内压力和末端回射压力峰值偏大。     

鸭舵位置参数对弹箭滚转特性的影响

采用数值模拟方法,研究了一尾翼固定的鸭式布局弹箭舵尾间距以及鸭舵安装位置对滚转特性的影响。分析了其流场特性与气动特性,结果显示,固定尾翼鸭式布局弹箭的舵尾间距对滚转控制特性有较大的影响,且舵尾间距越小,鸭舵下洗诱导尾翼产生反向滚转力矩越大,鸭舵滚转控制效率越低; 鸭舵安装位置对滚转特性亦有较大的影响,安装在圆柱段上较安装在圆锥段上,其滚转力矩系数在跨音速得到提升,在亚音速和低超音速都有所下降,超音速时几乎不变。     

不同空化器对水下射弹动态减阻特性影响分析

为了研究水下高速射弹在运动过程中空化器形状对减阻特性的影响,基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型、6DOF动网格技术,对带不同空化器射弹的水下动态运动进行了分析研究。分析了不同空化器的超空泡射弹在空化和全沾湿两种情况下减阻特性和空化数变化。结果表明圆盘空化器直径为0.5 mm的减阻性能最佳,而圆锥空化器圆锥角为60°的射弹平均减阻率最佳;对比两种空化器结构的射弹,在一定的范围内,圆盘空化器更适用于水下小口径高速射弹。本研究结果对水下高速射弹动态减阻特性分析具有一定的参考价值,并为空化器的优化提供了一定的指导方向。     

超空泡射弹动力稳定性的非概率可靠性分析

超空泡射弹水下高速运动时,前端所受轴向扰动载荷非常大。考虑到扰动载荷的不确定性,有必要对超空泡射弹进行动力稳定性的可靠性分析。建立超空泡射弹截锥形结构的动力偏微分方程,并将其转化为二阶常微分Mathieu型参数振动方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算,给出射弹结构动力稳定性的安全余量方程。分别分析了不同弹体杆径比、不同射弹航行速度以及不同弹体长度3种情况对超空泡射弹动力稳定性的影响,在此基础上进行了结构的非概率可靠性分析,得到了结构的非概率可靠度,通过算例说明该方法的有效性。超空泡射弹水下高速运动时,前端所受轴向扰动载荷非常大。考虑到扰动载荷的不确定性,有必要对超空泡射弹进行动力稳定性的可靠性分析。建立超空泡射弹截锥形结构的动力偏微分方程,并将其转化为二阶常微分Mathieu型参数振动方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算,给出射弹结构动力稳定性的安全余量方程。分别分析了不同弹体杆径比、不同射弹航行速度以及不同弹体长度3种情况对超空泡射弹动力稳定性的影响,在此基础上进行了结构的非概率可靠性分析,得到了结构的非概率可靠度,通过算例说明该方法的有效性。     

火箭深弹超空泡形态模拟研究

运用Fluent软件对火箭深弹的超空泡现象进行了数值模拟分析。基于结构化网格,运用k-ε湍流模型模拟火箭深弹在水下的运动过程,研究空化器规格、锥角及通气量等参数对其超空泡成型的影响。结果表明,火箭深弹形成临界超空泡时,速度越大,所需通气量越大;速度相同时,空化器直径越大,其形成临界超空泡时所需通气量越小。对比两种空化器形成的超空泡形态,应用圆盘倒截锥空化器更易控制超空泡的成型。数值计算结果与试验结果基本吻合。