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。     

尾部形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

尾拍运动是超空泡射弹保持水中稳定运动的主要方式。为研究尾部形状对超空泡射弹尾拍运动特性的影响，基于有限体积法和Mixture多相流模型，结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型，比较圆柱弹、尾锥弹、尾翼弹和尾裙弹的尾拍运动特性，分析了在不同初始扰动角速度情况下射弹的固有运动状态特性。研究结果表明：射弹尾拍时，尾部形状会影响尾部沾湿面和尾部沾湿产生的空泡，尾部沾湿表面面积越大或沾湿表面与射弹航行速度方向夹角越大，同攻角下射弹所受的力矩越大，尾拍频率越高，速度衰减越快，在不失稳的情况下，射弹的速度衰减快慢为尾裙弹>圆柱弹>尾锥弹>尾翼弹；4种射弹都存在与射弹的几何形状有关，而与初始扰动角速度无关的固有尾拍运动状态，此状态下射弹尾拍角速度振荡峰值随速度的衰减正比例减小。     

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。     

水下高速射弹超空泡形态与阻力特性研究

基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型,建立了自然空化流动的多相流模型,利用软件Fluent6.0对水下高速射弹空泡流动进行了数值模拟,计算了4种射弹模型在高速运动下的超空泡形态以及阻力系数,分析了射弹空化器直径、长细比和空化敷等对射弹超空泡几何形态以及阻力特性的影响.仿真结果表明,随着空化数的增加,超空泡直径与长度减小;空化器直径对射弹阻力特性的影响显著;增加航行体的长细比,可以获得更小的阻力系数.     

水下射弹自然超空泡特性数值模拟与试验

利用CFD计算软件Fluent6.3,对水下靠惯性高速运动的某型超空泡射弹在一定空化数范围内的自然超空泡特性,以及空化器设计与弹形尺寸匹配性进行了研究分析。在此基础上,进行了射弹试验,观测了弹丸在水下高速航行过程中空泡的生成情况、航行姿态和航行距离。综合计算数据和试验结果,对该型射弹弹形结构设计的合理性、超空泡减阻效果给予了评价。     

细长体射弹高速水平入水研究

为研究射弹在水中航行的弹道特性,对细长体射弹高速水平入水进行了实验,并利用高速摄像机进行了自动同步拍摄,研究了超空泡的形成和发展过程,以及水箱底部2处位置在水下压力波影响下的压力变化趋势; 基于动网格技术模拟了射弹在水中的航行过程,获得了射弹质心的位移、速度、加速度、射弹的偏转角度等物理量的变化规律,通过对航行过程中空化现象的详细分析得到了射弹空化发生的部位。结果表明:由于受水压力波影响,射弹周围水域压力会出现突跃; 射弹航行过程中先在弹肩部位发生空化; 射弹航行过程中尾部在空泡内发生偏移以保证航行的稳定性。     

水深和弹体长径比对超空泡弹体阻力系数及空泡形状影响的实验研究

为研究超空泡射弹的运动规律,用高速摄影机拍摄了3种长径比的弹体,在6个不同的水深下产生的超空泡的运动过程,对超空泡与自由面相互作用过程进行了研究。结果表明：随着水深的增加,超空泡的体积会变小,持续时间会变短,弹体的阻力系数会增大;当超空泡可以完全覆盖住弹体的情况下,如果速度相同,随着弹体长径比的增加,超空泡的体积基本保持不变,但其阻力系数会增大;随着水深减小,当超空泡与自由面发生相互作用时,空泡的尺寸(体积)增大、并且空泡的持续时间变长,这应该是大气进入到超空泡内的缘故;以长径比为8的弹体为例,空泡的持续时间从5~6 ms增加到12 ms以上,空泡无量纲长度和直径分别约增加了30%和15%.     

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。     

刚性截锥形弹体入水冲击载荷

研究截锥形弹体垂直入水冲击载荷。建立了截锥形弹体垂直入水冲击载荷的理论计算模型;对截锥形弹体在不同入水速度和不同头部结构参数情况下的入水冲击载荷进行了计算;分析了入水速度、弹体头部参数和沾湿因子对入水冲击载荷的影响。研究结果对弹体入水冲击载荷的预测和截锥形弹体头部结构的设计具有参考价值。     

超空泡水下航行器尾喷温度对空泡形态的影响

为了满足超空泡水下航行体稳定航行的流体动力条件,在航行体上闭合的空泡必须具有特定的形态,形成必要的流体动力布局,来平衡航行体自身的重力以及所受的力矩。该文采用计算流体动力（CFD）方法对2D模型通气超空泡及尾部喷流进行一体化数值仿真研究。在模型处于零攻角时,对不同尾喷温度下的通气超空化流场进行数值分析,得出了超空泡形态随尾部喷流温度的变化规律,与试验所得规律一致,为超空泡航行体的流体动力特性与动力布局研究提供了参考。     

防空制导炮弹有控弹道动态稳定性分析

简述了弹丸动态稳定性的研究状况。针对一对鸭舵、尾翼稳定式防空制导炮弹,建立了鸭舵控制作用下的有控弹道角运动模型,采用李雅普诺夫直接法导出有控炮弹自由运动动稳定条件。通过求解角运动方程,分析了舵面偏转条件下的弹丸受迫运动稳定性,分别讨论了影响自由运动和受迫运动稳定性的因素。结果表明,舵面参数与弹丸转速是影响有控弹道动稳定的主要因素,须在气动布局参数设计和弹道设计时加以合理控制。     

带扰流片旋转稳定弹动态稳定性

为发展一种新型弹道修正弹,以带扰流片旋转稳定弹为研究对象对其进行动态稳定性分析。推导带扰流片旋转稳定弹的动力学模型并简化得到其非齐次角运动方程,求得攻角在阶跃激励下的瞬态响应和稳态响应解析解。根据非线性角运动方程分析旋转弹结构参数、飞行参数和气动参数对系统分岔特性及稳定性的影响,通过数值计算分析带扰流片旋转稳定弹的修正能力。结果表明：求得的攻角解析解具有较高的精度;气动参数对动力学系统平衡点的稳定域影响较大;扰流片的控制效率很高。研究结果为带扰流片旋转稳定弹的结构参数设计提供了参考。     

轴对称超空泡流振动频率特性

针对复杂超空泡系统微分方程求解困难的问题,提出了一种研究超空泡稳定性的方法,根据Logvinovich截面独立扩张原理,建立了空泡非定常流动模型,再由气体状态方程,将空泡内气体的体积与空泡内气体的压力建立函数关系,经过理论推导,得出空泡内压力的微振方程。通过对压力微振方程的求解,得到超空泡流的振动频率特性。结果表明,空泡的稳定性与动力学相似参数有关,当把该动力学相似参数控制在一定范围内时,空泡在运动过程中是稳定的,否则空泡的稳定状态就会被打破,使空泡破灭。该方法有助于更好地掌握超空泡技术,为工程实践提供理论支撑。     

基于无迹卡尔曼滤波的超空泡航行体最优控制研究

针对超空泡航行体运动过程中环境噪声和测量噪声带来的不利影响,提出一种基于无迹卡尔曼滤波器（UKF）的最优控制算法。通过超空泡航行体动力学建模,建立含有环境噪声和测量噪声的状态方程,分别在无滤波器和含有UKF情况下的最优控制器进行了仿真分析。研究结果表明：在环境噪声和测量噪声干扰下,超空泡航行体跟踪误差较大,运动极其不稳定,处于失稳状态;在UKF作用下,超空泡航行体跟踪误差明显减小,在较短时间内达到全包裹状态,有较好的信号处理效果。     

非线性力矩作用下气动偏心弹丸强迫圆锥运动稳定性条件

为了指导无伞末敏弹等气动非对称弹丸的结构设计和气动设计,建立了气动偏心弹丸在三次方非线性静力矩和二次方非线性赤道阻尼力矩作用下的攻角方程,运用平均法求解了方程的近似解析解及其线性变分方程。在此基础上,根据Hurwitz判别准则,得到了气动偏心弹丸做强迫圆锥运动的渐近稳定条件,分析了该条件的物理意义,并应用数值计算算例对该条件进行了验证。结果表明,当自转角速度和气动偏心角满足一定的约束条件时,三次方非线性静力矩和二次方非线性赤道阻尼力矩作用下的弹丸可以实现固定攻角的稳定强迫圆锥运动。     

一种旋转自稳定灵巧子弹药稳态扫描运动研究

为研究某型旋转自稳定灵巧子弹药稳态扫描机理,根据该灵巧子弹药抛射条件和结构非对称特点,通过在弹体内设置非对称布置的质量块,充分考虑结构动不平衡因素,建立了便于量化弹丸动不平衡的弹道运动模型,并进行了数值求解.结果表明:旋转弹体质量非对称分布导致的动不平衡是使该弹丸实现稳态扫描运动的直接原因.简化的6自由度运动微分方程能较为准确的模拟该型子弹药的稳态扫描运动,从而为该型灵巧子弹药的总体设计提供理论依据.     

平头弹在岩石(混凝土)介质中的侵彻计算方法

采用刚塑性不可压缩的介质模型,用极限分析理论的上限方法,通过建立动力学许可速度场得到介质对弹体侵彻的静阻力分量,通过破碎介质动量守恒条件得到弹体侵彻的动阻力分量,在模型中还考虑了介质的尺度关系和弹体的弹头形状两种影响因素。侵彻过程中的速度、加速度、阻力和经历时间通过弹体的运动方程增量计算得到。通过与几种常用经验公式比较说明了本文方法的实用和可靠性。     

阶梯式旋转EFP成形机理的数值研究

应用阶梯式药型罩对称凹凸结构的方法研究出一种旋转稳定而且带倾斜尾翼的EFP,利用TG建立三维有限元模型,采用非线性动力分析软件,分别对大锥角和球缺两种形式的阶梯药型罩成形情况进行模拟,最后通过对形成弹丸的外形及速度进行了分析,得出阶梯式药型罩有利于成型弹丸的飞行稳定,而且球缺罩成型情况要优于锥角罩。     

固定鸭舵双旋弹动态稳定性分析

针对一种固定鸭舵双旋弹,研究了滚转角控制量任意时变条件下的动态稳定性问题。在弹体固定面坐标系中给出固定鸭舵双旋弹的力方程组和力矩方程组,建立了角运动状态空间模型。运用Lyapunov方法研究了固定鸭舵双旋弹的动态稳定性问题,证明可以通过求解一个Riccati形式的线性矩阵不等式来判断其动态稳定性。利用复数平方根计算方法得出稳定因子表达式,基于界实引理定义了绝对稳定H_∞范数。提出固定鸭舵双旋弹的绝对稳定性判据,包括稳定因子约束和绝对稳定H_∞范数约束,外弹道仿真结果验证了该稳定性判据的正确性。     

水下弹丸不同攻角流场特性研究

针对水下弹丸在不同攻角下的流场特性,基于Rayleigh-Plesset 方程、VOF 多相流模型,建立一种弹丸水 下运动过程的数值模拟方法。对比分析相同初速条件下,弹丸以不同攻角运动对运动过程中的空泡形态、流场演化 及受力特性的影响。结果表明：攻角越大,弹丸的空化效果越差,在运动过程中受到的升力和阻力也会越大,将严 重影响弹丸的水下弹道稳定性。