水下航行体变深度发射出筒空泡数值研究

采用数值方法对水下航行体带均压气体出筒过程进行数值模拟,研究了发射筒内均压气体及发射深度对出筒空泡的影响。基于均值混合物多相流模型、气体状态方程、质量输运空泡模型和RNG k-ε湍流方程,并结合动网格技术,实现了水下航行体带均压气体出筒过程数值求解。通过对典型弹体模型从不同深度发射出筒过程进行数值研究,得到了出筒过程空泡形态特征和内部结构,对比分析不同发射深度空泡尾部闭合时气体弹性系数的变化规律,并与文献中理论分析结果进行了对比验证。研究结果表明:均压气体将跟随航行体运动在航行体表面形成通气空泡,气体的弹性系数将影响空泡内气体的脱落速度和空泡尾部闭合位置;相同的弹射速度下,发射深度越大,空泡尾部闭合的越早。     

超空泡航行体阻力系数的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,仿真获得不同空泡形态下超空泡航行体的粘性阻力系数和压差阻力系数,利用这些系数,基于普通流线型航行体的阻力系数估算公式,进行重新拟合修正,形成超空泡航行体的阻力系数估算公式。将无空泡情况下的阻力系数估算公式代入自编的水下航行体弹道仿真软件,计算得到的超空泡航行体全沾湿状态下的水下弹道理论预报结果,与利用模型试验中的实测数据得到的弹道曲线一致性较好,说明数值模拟对超空泡航行体阻力系数的估算基本准确。     

航行体水下垂直发射空泡脱落条件研究

航行体水下垂直发射出水时空泡的脱落能够影响溃灭的压力以至结构的设计载荷,因此研究发射条件对空泡脱落和空泡状态的影响具有重要的意义。该文首先从回转体空泡脱落的特征出发,确认回射流是导致空泡脱落的控制因素,进而通过对空泡脱落的影响分析,提出回射流运动时间和航行体运动时间的比值大小能够作为空泡脱落和空泡状态的判据;接着对不同深度发射工况流场与空泡演化过程开展了系统数值模拟并与典型试验结果对比分析,验证并给出了该判据其在典型发射工况下的量化表达式;进而讨论了空化数、弗劳德数、深度、发射速度、泡内压力等条件对空泡断裂脱落的影响,给出了出水空泡溃灭时产生较强随机性高压力脉冲的发射区间。     

水下超声速气体射流的初始流动特性研究

为研究水下发射过程中高温高压火药燃气喷射进入液相水过程的流体形态变化与流动特性,采用Mixture多相流模型与蒸发与凝结模型建立了二维轴对称水下超声速气体射流的数值计算模型并进行了相关的数值模拟,得到水下超声速气体射流的初始流动结构。数值结果表明,超声速气体与水介质的强撞击会在气液界面上形成一个强压缩区,且连续撞击形成的压力波反传,使喷管出口射流核心区流场出现周期性脉动。因气液界面上的强剪切作用,而在气液混合区内形成复杂的小激波结构,小激波结构的出现加速了气液界面的失稳,从而促进了气液掺混效应。另外,在气泡内会形成典型的欠膨胀射流结构,因而气泡内的流动特征与单相超声速气体射流情况类似。     

超空泡航行体尾部流体动力特性试验研究

在水洞中采用前支撑方式模型进行了通气超空泡试验,对不同的超空泡形态下超空泡航行体尾部阻力系数、升力系数及俯仰力矩系数的变化规律进行了研究,并对航行体有无攻角情况下的尾部流体特性进行了比较,获得了攻角对尾部流体动力特性的影响。研究表明,在空泡开始包裹到尾部天平时,随着空泡形态的增长,尾部阻力系数迅速下降,而升力系数和俯仰力矩系数则迅速上升。当空泡将航行体上表面包裹,而下表面沾湿时,阻力系数减小趋势变平缓,而升力系数和俯仰力矩系数则均到达峰值。当空泡完全包裹航行体时,升力系数和俯仰力矩系数迅速回落至零值附近,此时阻力系数在零值附近变化不大。攻角1度情况下的航行体尾部阻力系数减小幅度与无攻角时相比明显降低,最大升力系数和俯仰力矩系数均远大于无攻角情况。     

考虑接触非线性的航行体出水结构动力学分析

水下发射航行体在出水过程中,随着沾湿表面积减少,航行体与周围流体相互作用而产生时变流固耦合效应,并引起结构动力学特性的变化。同时,考虑到航行体通常采用舱段式结构,各舱段在连接处存在非线性接触问题,对结构动力学特性也存在实质性影响。在考虑上述因素影响的情况下,将航行体简化为Timoshenko梁模型并利用有限元方法对结构动特性和动响应进行计算分析,得到了出水过程时变流固耦合效应及连接刚度非线性对航行体结构固有频率及动力响应的影响规律,在此基础上进一步分析了连接结构、载荷及出水速度的变化对结构动响应特性的影响。     

水下航行体通气超空泡形态及阻力特性试验研究

利用中速空泡水洞开展了通气超空泡试验,并利用已有的经验公式得到了通气空化数,对通气超空泡形态及阻力特性进行了研究。研究表明,通气超空泡的长度和长细比都随通气空化数的增大而减小,航行体阻力系数则随长细比增大而减小。在流速恒定情况下,随通气率的增大,通气空化数逐渐减小,呈指数规律衰减。通气空化数越小,超空泡航行体的减阻效果越好,速度越大,超空泡减阻效果越明显。随通气空化数的减小,超空泡航行体尾部沾湿区域阻力系数也逐渐减小。     

潜射导弹空化特性水洞模型试验研究

潜射导弹水下弹道品质决定了发射过程的成败。发射速度提高形成的导弹附体空泡造成了流体动力的不确定性,增加了水下弹道设计的难度。针对潜射导弹水下航行的特点,采用通气空泡技术来模拟不同空化状态下航行的导弹,给出了空泡形态及其流体动力特性,分析了锥头锥角对空泡形态和流体动力特性的影响,得出了回射流效应及弹体自由攻角随锥角增大而增大的结论。借鉴超空泡武器外形理论,设计了增强弹道稳定性的截头锥头型,并通过试验验证了该头型弹体稳定性好的特点。试验结果可供潜射导弹水弹道设计人员参考。     

水下超空泡航行体非线性动力学与控制

利用超空泡可以大幅地提高水下航行体的速度,由于在超空泡状态下航行体几乎完全被空泡包裹,超空泡航行体的流体动力和稳定性和以往全沾湿航行体完全不同,同时航行体尾部与空泡壁作用产生的非线性滑行力的出现,这些都对水下超空泡航行体的动力学建模和控制策略提出了很大的挑战。文中分析了超空泡状态下航行体各部分所受的流体动力,提出了航行过程中尾翼效率的计算方法,建立了超空泡航行体非线性动力学模型,设计了非线性切换控制策略。     

舰船尾流侧向声检测方法

舰船尾流声检测是水下航行体实现自动搜索、跟踪、攻击水面舰艇目标的最有效途径之一,当前工程应用和相关研究主要集中于从尾流下方实施的顶视声尾流检测方法.为了进一步研究水下航行体新型尾流检测技术,提高尾流自导性能及抗干扰能力,研究了舰船尾流的侧向声散射检测方法.分析了舰船尾流的几何特性和声特性,进行了实验室模拟尾流的气幕声散...     

尺度效应对水下合成射流推力特性影响研究

该文通过数值方法研究了尺度效应对水环境下合成射流推力及推进效率的影响,不同尺度下激励器的网格采用等比例缩放的方式得到,数值计算在fluent进行,且数值计算方法通过实验数据进行了验证。数值计算结果发现,当激励器尺度为0.1 mm时,推力曲线与速度曲线非常接近,此时平均推力及推进效率均较小。随着尺度增加,当激励器尺度大于1 mm时,推力曲线不对称度增加,且推力曲线的上升区间所占周期增加而下降区间所占周期减小,此时平均推力及推进效率都有明显提高。建立了合成射流的推力模型,该模型将合成射流推力分解为三部分：质量效应、加速效应及外部流场的压强效应。给出了不同尺度下的涡量图、速度分布图,通过对其分析可知,尺度较小时粘性作用较强,此时,内部流体的加速效应及外流场压强效应均很小,导致推进效率较低。随着尺度增加,粘性作用减弱,推进效率开始增加,当尺度增加到粘性可以忽略时,推进效率不再随尺度增加。     

多层差异性气泡帷幕对水下爆破冲击波的衰减效应的试验研究

为评估气泡帷幕产生的气水混合层对冲击波能量的衰减效应,设计了乳化炸药水下延期爆破试验,研究气泡帷幕对水下爆破冲击波的影响。以冲击波斜入射条件下波阻抗差异性为研究对象,设计多层差异性气泡帷幕。以距爆心12 m处帷幕前、后测点处的冲击波衰减率为评价指标,测得多排孔气泡帷幕前测点处的冲击波压力峰值为1.518 MPa和1.493 MPa,帷幕后测点处的冲击波压力峰值为0.026 MPa和0.034 MPa,冲击波综合衰减率为97.72%⁹8.29%。与陆上岩石爆破冲击波传播规律相比,水下爆破冲击波作用时间短,波阵传播速度快,冲击波压力更大,且传递过程中能量损耗少,传递效率高,同等爆破当量的条件下水下爆破对结构的损害更大。采用多层差异性气泡帷幕对水下爆破施工进行防护,可以在完成水下炸礁爆破施工任务的同时,不破坏水下生态环境。     

发展时变附加质量方法模拟飞行器出水过程

该文发展了时变附加质量方法,并利用有限元方法模拟了水下飞行器的出水过程。基于出水过程中飞行器的振动模态试验数据,由于出水长度与一阶横向振动频率、出水长度与附加质量均有一一对应关系,所以该文在一定假设条件下,通过反演方法得到了随出水长度变化的横向时变附加质量,初步形成了将复杂流场载荷向飞行器表面等效的方法。该文完成了对水下飞行器出水过程动态性能的研究,考察了某截面上弯矩和剪力随时间变化的情况。在附加质量的影响下,结构的响应频率会低于无附加质量的情况,而响应幅值则因不同的外载荷条件而异。随着出水长度的增加和沾湿长度的减少,结构的振动频率逐渐升高,此计算结果也定性地说明了时变附加质量的合理性,并为对附加质量方法作进一步研究奠定了基础。     

考虑空化作用的潜射航行体弹道仿真

该文基于独立膨胀原理研究了潜射航行体的自然空泡形态及小机动条件下空泡轴线的偏移,采用细长体理论计算了航行体部分沾湿区的流体动力,建立了纵平面内潜射航行体水下运动数学模型。针对自然空化条件下潜射航行体水下航行段弹道进行了仿真分析,仿真结果表明,艇速干扰使弹道出现弯曲,艇速越大,航行体出水姿态角越大,不利于出水姿态的稳定,而空化作用产生的附加径向力在一定程度上对航行体姿态起到矫正作用,仿真计算结果与模型试验结果符合较好。     

水下超空泡航行体非线性动力学建模与仿真

超空泡技术可以大幅提高水下航行速度,根据空泡膨胀独立性原理,研究了空泡的记忆效应及其对空泡形态和航行体尾部滑行力等流体动力的影响,在计算超空泡航行体各部分所受的流体动力的过程中考虑了空化器的定向效应和空泡尾部的上漂变形,还研究了航行过程中尾翼浸水深度变化时尾翼效率的变化规律,从而建立了更加精确的超空泡航行体动力学模型。通过仿真分析了超空泡航行体运动的稳定性,最后设计了非线性控制策略来进行深度跟踪。     

下击暴流作用下高速列车运行安全性能评估

建立了一套利用物理模拟器的下击暴流作用下高速列车运行安全性评估方法。结果表明:受下击暴流风速场与气压场的共同影响,列车距下击暴流中心不同相对位置,所受气动力作用机制明显不同;下击暴流作用下,侧力对轮轨横向力贡献最大,侧滚力矩对轮轨垂向力贡献最大;轮对横向力、脱轨系数、轮重减载率等列车安全运行评价指标随径向距离的增大先增大后减小,相对径向距离r/D_jet=0.83时(D_jet为喷口直径),为列车安全运行的最不利径向位置;列车安全运行指标随风速、车速的增大而增大,列车安全运行的下击暴流临界风速值随车速的增大而急剧减小。     

内埋武器发射参数对下落轨迹的影响

采用改进的延迟分离涡模拟方法结合动网格技术,对某一简化内埋弹舱-舱门-弹体模型的三维流场进行非定常计算,得到了不同来流马赫数、弹体发射速度和初始角速度等参数对弹体下落轨迹的影响规律。结果表明：亚声速条件下来流马赫数对弹体偏航角度影响较小,跨声速及超声速条件下受流场波系的影响,弹体均向右偏航。超声速条件下,随马赫数增加弹体偏航角和俯仰角的变化幅度减小。提升弹体初始发射速度可以使弹体快速达到安全分离距离,并减小姿态角变化。增加弹体初始低头角速度可以在不增加弹射力的情况下,减小弹体俯仰角度,提高弹体分离速度,有利于机弹安全分离。     

椭圆形罩线型聚能装药射流成型过程数值模拟研究

为了获得椭圆形罩线型聚能装药射流成型的特点和规律,采用数值模拟的方法对其进行研究。运用正交设计方法和ANSYS/LS-DYNA软件得到了较优的试验方案和射流成型的数值模拟过程,以及射流成型过程的特点、3个典型时刻沿对称面射流速度梯度、射流最大速度和杵体最小速度随时间变化关系。结果表明,相对于常见的楔形罩LSC,椭圆形罩LSC形成的射流较长且均匀,质量相对较大,速度也较高;形成的杵体速度梯度小,横断面外形近似为椭圆形,质量相对较小且集中;射流最小速度位于两翼处而非杵体上。     

油气井高能气体压裂P—t测试仪的应用研究

目前，油气井特种增产技术发展很快，且种类繁多，但高能气体压裂技术是一种主要的特种增产技术。而研究压裂过程的压力－时间曲线对深化化其机理，提高其压效果必不可少的重要途径。高能气体压裂采用两种施工工艺；一是电缆下井，液柱压挡，地面点火的施工 是油管送璐顺与液柱复合压挡，撞击引的施工工艺。     

应力波传播时爆破条纹图判读准则的检验

在一次爆破加载同时得到爆破模型动态等差线与等和线条纹图的基础上 ,采用部分改变物光光程的方法求得等和条纹的级数。为检验尚有争议的动态等差条纹级数判据 ,利用设计的一种应力波在边界反射后的爆破实验模型进行研究 ,解决了复杂条纹图的判读问题