不同头型高速射弹垂直入水数值模拟

为研究不同射弹头型对高速射弹垂直入水的流体动力和流场特性的影响,采用有限体积法和VOF(volume of fluid)多相流模型,并引入动网格技术,对5种不同头型的轴对称高速射弹垂直入水过程进行了数值模拟,分析了头型对空泡形态演化过程、射弹流体动力及弹道特性的影响规律.研究结果表明,头型对射弹入水空泡形态、表面闭合时间以及入水阻力、深度、速度均有较大影响.球头与截球头空泡半径小于其余3种头型,表面闭合时刻依平头、球头、锥头、截锥头的顺序递增.射弹头部均承受较大压力,球头、截球头射弹头部压力分布不均使之承受较大的剪切力.射弹头部流线型越好,入水速度衰减越慢,入水深度增加越快.入水阻力系数峰值按平头、截球头、截锥头、锥头、球头的顺序递减.     

运动参数对回转体倾斜入水流场特性影响

为分析回转体低速倾斜入水过程中入水空泡形态及流体动力特性演化规律,基于Fluent流体计算平台,并利用动网格技术,针对小型回转体以不同入水速度和入水角度的倾斜入水过程开展数值仿真研究.数值仿真结果与试验结果良好一致性,证明了文中数值仿真方法的正确性与有效性.基于该数值仿真方法,针对不同入水速度和不同入水角度回转体低速倾斜入水过程流场特性进行分析.数值计算结果表明:在距离自由液面相同位置处,回转体倾斜入水产生所产生的入水空泡,其直径随着入水速度的增加而小幅增大,随着入水角度的增加而减小;入水速度对流场中压力分布规律有较大影响,在同一入水深度处不同入水速度回转体入水过程中流场的最大压力随着入水速度的增加而增大;入水角度对回转体附近流域的最大压力影响较小,但最小压力随着回转体入水角度的增加而增大;不同入水角度回转体,母线压力峰值位置随着入水角度的增加而逐渐向母线右端点偏移,但其值差别较小;不同入水速度回转体其阻力系数峰值差别不大,不同入水角度阻力系数峰值随着入水角度的增加而增大,但稳定后的阻力系数值随着入水速度的增加而减小.     

回转体并联入水过程空泡及运动特性数值模拟

为研究初始参数对回转体并联入水空泡及运动特性影响,基于有限体积法,采用realizable k-ε湍流模型、VOF(volume of fluid)多相流模型和Schnerr and Sauer空化模型,并引入重叠网格技术,对不同入水速度、不同初始净距和不同横流速度的回转体并联入水过程进行数值模拟。首先,建立了回转体高速并联入水的数值计算模型,验证了计算方法的有效性。然后,基于此模型开展不同初始参数的并联入水数值计算,得到不同参数下的流场及运动特征。最后,结合计算结果分析了不同参数下并联运动体的空泡形态及特征尺寸变化、侧向与偏航运动规律。研究结果表明,随着入水初速度增大,内侧空化现象越剧烈,同一量纲一的时刻空泡的外侧极径和限制长度增大,回转体量纲一的侧向位移和偏航角越大。随着初始净距减小,同一量纲一的时刻空泡的限制长度越小,回转体的量纲一的侧向位移和偏航角先增大后减小。小横流作用下,迎流与背流回转体的外侧空泡径向尺寸与单体基本相同,而长度略大,随着横流速度增大,并联入水状态的空泡尺寸差异同单体相比增大;内侧空泡的径向尺寸差异较大,其中迎流回转体的内侧空泡极径较大,且随着横流速度增大极径的最大值始终维持在d+D/2左右。横流速度较小时,并联入水回转体头部靠近而尾部远离;横流速度较大时,两回转体头部远离而尾部靠近。     

球体入水空泡动态特性

为研究球体低速入水的空泡特性以及空泡的形成对球体运动特性的影响,基于独立膨胀原理对充分发展后的空泡形态建立了理论模型,采用高速相机对不同速度的球体入水过程进行拍摄,观察球体入水从没有空泡到空泡充分发展的过程,分析了空泡的形成对球体后方射流的影响以及空泡对球体的运动特性的影响,研究了空泡的动态特性.结果表明,在球体入水没有形成空泡时,球体后方的射流以水柱的形式向上溅射;在形成稳定的空泡后,在空泡表面闭合前射流向四周溅射,空泡表面闭合后射流主要向上溅射.由于球体入水速度的变化、入水空泡的形成以及入水撞击时冲击力的影响,球体的加速度变化比较复杂,球体的阻力系数受到入水空泡的影响而明显减小.用建立的空泡形态理论模型得到了入水空泡截面积随时间的变化,并与实验结果进行了对比,对比结果显示了较好的一致性,分析表明不同深度处空泡从发展到破灭的时间大致相同,深度较小处的空泡截面积较大.     

尾翼楔角对通气超空泡特性影响试验研究

为优化通气超空泡航行体流体动力布局,通过水洞试验,研究了航行体尾翼对通气超空泡航行体流体动力的影响.细致分析了通气超空泡的生成和发展过程,给出了尾翼、尾翼楔角对通气超空泡航行体流体动力的影响规律.试验结果表明:航行体尾翼增大了通气超空泡航行体阻力系数与升力系数.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数分别随自然空化数减小而减小.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数随通气率增大先小幅增加后减小.尾翼楔角越大,通气超空泡航行体升力系数越大.     

头型对回转体垂直入水时空泡面闭合影响的数值模拟

为了获得头型对入水空泡面闭合时间的影响以及某实际射弹模型入水过程中发展的空泡尺寸,通过VOF(Volume of fluid)方法和二维轴对称模型,在Fluent 15.0中嵌入用户自定义函数并应用动网格技术,对不同头型圆柱体和实际射弹模型以500.00m/s的速度匀速入水时产生的入水空泡进行了数值模拟。结果表明:圆头型圆柱体入水空泡发生面闭合的时间最早,其次是圆锥型圆柱体,平头型圆柱体入水空泡发生面闭合时间最晚;圆头型圆柱体诱导的气相速度最大,其次是圆锥型圆柱体,平头型圆柱体诱导的气相速度最小。模拟结果与文献结果一致性很好。实际射弹模型入水后,其空泡由前后两部分复合而成,数值结果和Logvinovich半经验公式的计算结果具有很好的一致性。该研究结果可以为高速物体入水超空泡的流动特性分析提供参考。     

细长体倾斜入水时的非平衡态超空泡气液两相流研究

采用高速摄影技术观察高速细长体倾斜入水后超空泡气液两相流形态发展变化过程并对其结果进行研究。分析48mm长的细长体在50m／s左右的入水速度工况下,分别以几种不同入射角度进入水中后相关的流体动力学特性过程。实验结果表明,当细长体倾斜入水时,其与水自由面接触产生的力矩改变了细长体的初始运动方向,使其偏转并产生有多重褶皱的非规则空泡体,细长体尾部也更容易在入水时与产生的空泡边界接触而打断超空泡,致使部分超空泡留在近自由面处。根据速度拟合曲线,验证了细长体倾斜入水情况下依旧有超空泡减阻作用。     

高速射弹入水时空气携带量的数值模拟

使用Fluent 14.0软件并选择VOF多相流模型,模拟了高速射弹入水过程。以直径为6.0mm、长径比为12.0的圆柱体为射弹模型,分别计算了平头、圆头和尖头圆柱体射弹以100.0m/s速度入水的超空泡流场。将入水超空泡形状的模拟计算结果,与Logvinovich半经验公式的计算结果进行对比发现:前半部分的空泡形状相互吻合,但后部空泡形状尺寸大于半经验公式的计算结果,这可能是因为入水空泡会夹带空气进入的缘故。另外对3种头型射弹的超空泡的相图作了对比分析,研究发现:尖头射弹产生的超空泡中夹杂的空气量最多,而平头射弹次之,圆头射弹最少;圆头射弹产生的超空泡中夹杂的空气体积分数最大,而尖头射弹次之,平头射弹最小。针对圆头圆柱体射弹,还计算了500.0、900.0m/s和1500.0m/s入水速度下的超空泡流场,并进行了相关对比分析。     

头部喷气航行器高速入水空泡特性数值分析

航行器在高速入水的过程中会受到巨大的冲击载荷作用,它会破坏航行器结构并损坏内部仪器,因此开展航行器入水缓冲机理的研究是很有意义的。使用一种带圆盘空化器的头部喷气装置,在气液固三相耦合下,航行器入水过程产生了复杂的空泡形态。开展了加装头部喷气装置的航行器高速入水数值模拟研究,通过对典型工况下入水空泡的分析,得到如下结论:加装头部喷气装置后航行器入水空泡由锥形逐渐变化为纺锤形;与不喷气时相比,喷气可促进入水超空泡的生成,减小入水过程中航行器与水的作用面积,降低该过程中的冲击载荷;同一入水深度下,空泡直径随喷气量而增大。入水速度对空泡形态差异性影响较大,其中入水速度100 m/s以下时可在3.5倍弹长的入水深度内观察到入水深闭合现象。入水角对空泡形态有明显影响,斜入水时空泡呈现明显不对称性,且空泡直径与长度随入水角增大而减小。研究内容为航行器高速入水降载的工程实际提供了技术支持,所得结论在相关领域具有重要意义。     

半潜式平台立柱入水砰击特性数值模拟

为了探讨了入水砰击面压力空间分布规律,本文基于冲量入水砰击理论,建立了包含结构-水-空气三者耦合的数值计算模型,开展了半潜式平台立柱入水砰击载荷与入水角度和速度之间关系的研究。研究结果表明:砰击压力的大小与分布与入水角度和结构物入水面的空间位置密切相关,入水速度对其也存在有一定影响。数值计算的结果可以实现立柱砰击载荷的快速预报,对实际工程中平台立柱体结构的安全性评估具有指导意义。     

高速弹体水平入水产生冲击波特性

高速弹体入水产生的冲击波对弹体的水下运行与毁伤性能有着至关重要的作用.为得到高速弹体入水产生的冲击波及其传播特性,利用一级轻气炮高速发射平头和球形两种不同弹体水平入水,通过以不同方式分布于水下的压力传感器测量因此而形成冲击波峰值压力衰减特性.实验结果表明:初始冲击波峰值压力随着距离和角度以不同的方式衰减;在波的传播方向上,其满足指数衰减的形式,压力介于距离的倒数与距离平方的倒数之间的曲线之间.在球形波阵面上则以正弦曲线的形式衰减,这种沿距离和角度衰减的冲击波峰值不受弹体的初始速度的影响.     

不同扰动角速度高速射弹入水弹道特性

为深入了解高速射弹入水运动情况,基于入水弹道学和超空泡流体动力理论,建立了弹体纵向运动的动力学模型,对弹体模型以不同扰动角速度入水的过程进行了弹道仿真,得到了弹体入水轨迹、速度、俯仰角和俯仰角速度的变化规律,并分析扰动角速度对其影响.研究结果表明,随着尾拍次数的增加,弹体尾部浸入水中的深度逐渐增大,尾拍所持续的时间也逐渐增长,尾拍后的俯仰角速度随尾拍次数的增加先变大,然后增幅逐渐减小,或者俯仰角速度随尾拍次数的增加变大后略微减小,扰动角速度越大,相同时间内弹体发生尾拍的次数就越多,尾拍发生的就越早,弹体在空泡腔内运行的时间就越短.     

空气压强对垂直入水空泡影响的数值研究

基于RANS方程,结合VOF多相流模型和动网格技术,对带150。锥角头型圆柱体以中等速度垂直 匀速入水空泡进行了数值计算．计算过程中对VOF多相流模型嵌入水和水蒸汽之间的质量输运源项,实现 了水、空气和水蒸汽三项相同时存在的自由液面入水问题数值计算．通过与匀速垂直入水理想空泡模型计算 结果的对比,验证了本文数值计算方法的有效性．对不同空气压强条件下入水空泡形态的数值计算结果分 析,得到了在本文所计算入水工况范围内垂直入水过程中自然空化对入水形态的影响;得到了空泡无量纲闭 合时间、空泡闭合瞬间最大无量纲直径、以及空泡闭合方式与空气压强和入水速度之间的关系等     

Experimental Investigation of Water-Entry Phenomenon

In order to investigate the cavity shape and velocity attenuation of steel spheres after high-speed water entry,the high-speed water entry of different water entry angles were performed. The cavity shapes were recorded using high-speed photo recorder,and the velocities after water entry were measured. The diameters of equivalent disk of steel spheres after water entry were obtained from the processing of cavity images. Based on the steady and uncompressing flow assumption,a theoretical model for velocity at...     

超空泡射弹尾部冲击载荷的仿真研究

为了研究超空泡射弹尾拍冲击载荷的特性,利用Logvinovich G.V.的独立膨胀原理对流体域提出了一种简化处理模型,并采用流固耦合的方法,对初始扰动角速度、射弹质量、质心位置和刚度对尾拍力的影响进行了仿真计算.结果表明：初始角速度和弹体质量的增加都会使尾拍力增大,而弹体弹性模量的增加会使尾拍力变小;碰撞次数随初始角...     

Influence of stress anisotropy on the cylindrical cavity expansion in undrained elastic-perfectly plastic soil

This work presents an analysis of the influence of stress anisotropy on cylindrical cavity expansions in an undrained elastic-perfectly plastic soil. This problem was formulated by assuming a large strain in both the elastic and plastic zones around the cavity and a plain strain condition during the cavity expansion process. The solutions for the limit pressure, stress, and excess pore pressure were obtained by introducing the anisotropic initial stress coefficient K₀ into the conventional cylindrical cavity expansion method. The proposed solutions were then used to interpret the piezocone penetration test, and the suitability of the solutions was verified by comparing the prediction with the piezocone penetration test data. Subsequently, parametric studies were carried out to investigate the influence of stress anisotropy on the stress, excess pores pressure distributions around an expanding cylindrical cavity, and limit pressure. The results show that the proposed cylindrical cavity expansion method under stress anisotropy is suitable and can be used to investigate the piezocone cone test. The present work improves upon the conventional theoretical framework of cavity expansion and can be applied to the determination of the stresses around axially loaded piles and around in-situ testing devices such as penetrometers.     

液压锥阀气穴现象两相流仿真及实验

为研究液压锥阀存在的气穴问题,基于流体力学理论及阀芯受力分析,计算出径向偏移量的大小,在考虑阀芯发生径向偏移的情况下,借助UG软件建立不同工况下的内流场三维模型,通过ICEM-CFD软件划分网格模型,基于FLUENT软件对锥阀内流场的气穴现象进行液-气两相流仿真,获得径向偏移、半锥角、开口度、背压4个影响因素下的气穴分布及强度的变化规律.搭建可视化的液压锥阀气穴现象实验台,借助高像素的相机拍摄各工况下阀口位置的气穴图像,对仿真结果进行实验验证.结果表明:仿真结果与实验结果相吻合,径向偏移使气穴集中分布在上锥面一侧的流场.半锥角为45°时,阀芯的锥阀气穴强度变化平缓,同时半锥角为45°时,开口度为0.4 mm时气穴的强度最明显,随着开口度增大,气穴现象的气团强度逐渐减弱.综合通流能力、气穴强度,半锥角为45°是一个较优的阀芯半锥角度,同时,增大开口度和背压具有抑制气穴发生的作用.