水下超空泡射弹研究综述

对国外水下超空泡射弹研究状况进行了综述,介绍了水下超空泡射弹的原理及应用情况,总结了水下超空泡射弹的研究方法及相关进展,分析了研究中的关键技术问题,最后对未来发展趋势进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

超空泡水下航行器空间运动建模与弹道仿真

在包含超空泡“时间延迟”效应的基础上,建立了超空泡水下航行器空间运动模型。模型中体现了机动条件下空泡中轴线相对航行器中轴线的偏移产生的流体动力及力矩。为考察该模型在强机动条件下的准确性,进行了弹道仿真分析。结果表明所建立的模型能够描述航行器机动运动的特性;同时表明在实施极限操舵模式时,舵角极限量是影响姿态角对舵角振荡特性的关键因素。该结论对超空泡水下航行器控制技术研究具有重要意义。     

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。     

水下超空泡航行体减阻能力的数值研究

采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律.采用动态网格,实现了全数值模拟超空泡航行体在水中的运动过程及空泡的生成规律.比较了航行体周围是否产生空泡与航行体是否有推力4种情况,计算结果表明超空泡具有非常好的水下减阻能力.利用超空泡技术可以在不大的推力下使水下航行体的航行速度提高3倍,超空泡航行体应采用火箭发动机动力装置.     

跨超音速射弹的超空泡数值模拟

使用Fluent6.3的UDF功能,研究了射弹在水中跨超音速下产生的超空泡流场.在Mixture模型下分别计算了水不可压和可压两种状态下超空泡射弹的流场,对两种状态下流场做了对比分析,表明在跨超音速下,水的可压缩性会增加射弹的阻力;另外,模拟了可压单相流的射弹流场,得出射弹周围温度场的分布,结果表明射弹运行的结果会产生大量的热;最后将Fluent6.3的计算结果同Fluent6.2的计算结果做出对比.     

三维非定常水下超空泡射弹大涡模拟研究

基于N-S方程及PISO算法,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型和VOF方法,对绕三维水下超空泡射弹的非定常空泡流动进行了数值模拟.通过计算结果得到了超空泡的形成过程.计算了不同攻角条件下的超空泡形态,给出了射弹表面的空泡厚度分布曲线.计算了不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度,计算结果与实验数据吻合较好.计算结...     

Numerical Simulation for Ventilated Supercavitation High Speed Underwater Vehicle

Supercavitation is a revolutionary technique to achieve high drag reduction for underwater vehicle. It can help us to break through the conventional speed barrier. This article presents a numerical algorithm for ventilated supercavitation flow field based on mixture multiphase flow model, briefs the calculation results and compares them with that tested in high-speed water tunnel and towing tank. The mathematical model, its numerical calculation method, computational region and boundary conditions are discussed in detail. Some pertinent nondimensional parameters about the ventilated supercavitation, such as geometrical configuration of supercavity, drag coefficient and ventilation rate are investigated. Reynolds number is selected to predict gas ventilation rate instead of Froude number. Finally, based on the test and simulation results, a semi-empirical formula of the ventilation rate estimation suitable for different conical angle caritators is proposed.     

自然超空泡形态稳定性的数值仿真

为了研究自然超空泡形态稳定性,根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常自然超空泡形态的计算方法.运用该方法对自然超空泡形态进行了数值仿真研究.研究表明流场压力、模型速度、模型后体和空化器阻力系数都会对自然超空泡形态稳定性产生影响.不同幅度、不同频率和不同形式的扰动对自超空泡形态稳定性的影响不同,自然超空泡在受到扰动后表现出波动性和时间滞后性.     

航行体出水俯仰双态特征研究

水下航行体垂直发射水弹道参数设计是水下发射技术研究的重要内容。在试验研究中发现,水下垂直发射时出水过程水弹道会出现俯仰双态特征,为了分析出水姿态变化规律,基于水下垂直发射水弹道理论模型并结合试验结果,对造成出水俯仰双态特征的机理进行了分析,获得了造成出水俯仰双态的原因及影响规律,为水弹道规律研究和参数设计奠定了基础。     

水下航行体表面凹槽数对超空泡流场影响的数值模拟

基于FLUENT软件,采用VOF方法,对不同表面凹槽数的水下航行体超空泡流场进行了数值模拟,分析了不同表面凹槽数所形成的三维超空泡的形态特征。模拟了不同表面凹槽数情况下航行体超空泡形状并与Logvinovich半经验公式的结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。通过对不同表面凹槽数航行体超空泡截面形态做进一步的对比,分析了超空泡面凸凹变化的原因,并得出水下航行体表面凹槽数对超空泡流的影响。计算结果表明,随着表面凹槽数的增加,超空泡外形轮廓变小,该结果与实验结果一致。     

火箭助飞鱼雷水下水平发射弹道设计

为了实现火箭助飞鱼雷采用潜艇鱼雷发射管发射，对火箭助飞鱼雷的水下水平发射的有关问题进行了探索性研究，设计了火箭助飞鱼雷运载器的总体方案并进行了弹道规划，提出了火箭助飞鱼雷倾斜出水并偏航避艇的水下弹道运动方式。运用动量和动量矩定理，在运载器体坐标系下建立了运载器的6自由度弹道数学模型，提出了相应的弹道控制规律，并在MATLAB／Simulink环境下对火箭助飞鱼雷运载器的水下弹道进行了数值仿真，结果表明，火箭助飞鱼雷的总体方案及弹道规划方案可行，通过操舵控制可以实现运载器倾斜出水并偏航避艇的设计要求。     

水下枪(炮)发射技术综述

针对现超空泡射弹发射技术的研究成果难以支撑其工程应用的问题,对水下枪炮发射技术进行探讨。介 绍国内外鱼雷及导弹水下发射技术,对水下枪炮自动机进行分类,归纳水下枪炮发射的关键技术,总结超空泡射弹 武器系统数值计算和实验研究成果,对水下枪炮发射技术的研究现状进行分析,并从水下射弹测速和水下自动机膛 压测试技术方面展望了水下枪炮发射技术领域的研究方向。该研究有一定的实用参考价值。     

浅水区串联航行体超空泡流动特性研究

为了研究浅水区串联航行体超空泡流动特性,采用VOF多相流模型建立了空气、水、水蒸气的混合相的连续性方程和动量方程,对串联航行体在浅水区形成的超空泡流场进行了数值模拟,研究了水深和航行体间距对超空泡流动的影响。研究结果表明:前后串联航行体在运动过程中均会形成超空泡,且空泡的初始形态、轮廓近似,并在自由面激起先导波浪; 在浅水区,会有上方空气卷入超空泡内,但是随着水深的增加,上方空气不再卷入空泡内; 随着航行体间距的增大,充分发展阶段的超空泡轮廓变得越加平缓,当间距大于5倍的航行体长度时,不同间距下的串联航行体超空泡轮廓无明显差异。