水下高速射弹超空泡减阻特性研究

基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型,利用Fluent6.2对带圆盘空化器射弹的阻力特性进行了数值研究.计算了圆盘空化器射弹的空泡形态,分析了空化器直径、空化数、射弹长径比、超空泡形态对射弹超空泡减阻特性的影响,计算了高速射弹的自然超空泡减阻率.结果表明,空化数变化对射弹的阻力特性影响不大;头部空化器直径对射弹阻力系数影响明显;在超空泡状态下,增大射弹长径比,射弹阻力系数减小;高速射弹的超空泡减阻率可达95%以上.     

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。     

水下高速射弹空泡形态与阻力特性研究

试验研究射弹在水下带空泡高速运动存在诸多限制,为了获得水下高速射弹的空泡形态和阻力系数的变化规律,分别采用CFD仿真软件和应用基于空泡截面独立扩张原理建立的公式来研究水下高速射弹的空泡形态及阻力特性。研究结果表明,仿真计算结果与公式计算结果吻合良好;随着空化数的减小,空泡的相对长度、相对直径和长细比都在增大;在小空化数下,空泡前部形态基本不变,阻力系数主要为压差阻力系数,其值基本不变。提出了水下高速射弹外形设计步骤：公式计算初步建立模型一仿真计算修改模型一试验确立模型,旨在为射弹的外形设计提供参考。     

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.     

自然超空泡形态特性的数值模拟

基于流体计算分析软件Fluent6.3,对4种典型空化器头型建立了计算模型,进行了超空泡流动状态下的数值模拟研究,就空化器头型、空化器直径以及空化数等因素对自然超空泡形态特性的影响进行了分析探讨。数值模拟计算结果表明：空化器头型对超空泡形态特性影响明显,在相同条件下,平头空化器比锥角、圆头空化器更易形成自然超空泡,所形成的超空泡尺寸最大;当空化器形状以及空化数相同时,自然超空泡尺寸变化与空化器直径成线性正比关系;超空泡尺寸随着空化数的减小,成非线性的递增规律,而轴对称自然超空泡的长径比变化主要取决于空化数大小,空化数越小,自然超空泡长径比越大。     

水下射弹的空泡形态特性研究

基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型,建立了水下射弹空泡流动的多相流CFD模型,对水下运动射弹的空泡特性进行了数值模拟,将数值仿真结果与试验数据进行了对比,数值计算与试验结果符合较好.在此基础上,计算了零攻角条件的不同头形空化器及相关参数变化的水下射弹空泡形态特性,分析了空化数、头形、半锥角、空化器直径等对水下射弹运动形成空泡形态的影响.研究结果为进一步研究水下射弹的空泡运动提供了理论参考.     

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。     

高速射弹出水过程中水弹道问题研究

在研制高速射弹出水实验装置的基础上,利用实验和数值模拟的方法研究了细长圆柱型射弹(简称射弹)高速出水时包裹着射弹的超空泡的发展、脱落及其与自由面相互作用的全过程。根据测得的实验数据,计算出高速射弹出水过程中的空化数和阻力系数,参考Reichardt和Munzner以及Logvinovich公式,给出了阻力系数和空化数的多项式关系拟合公式,进一步形成了阻力系数归一化数值处理方法。结果表明:该高速射弹出水瞬间存在攻角时,非轴对称的空泡溃灭会使射弹的运动方向发生偏转;适当增大射弹的长径比或空化器长度,有利于高速射弹的水下运动减阻。基于FLUENT软件并采用VOF方法,对高速射弹出水过程进行了三维数值模拟,计算结果与实验结果吻合良好。该文还给出一个出水过程中水弹道偏转的示例,说明射弹在水下与超空泡壁面的碰撞滑移会引起水中弹道的偏移。     

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。     

剪切来流下超空泡射弹空化与水动力特性的数值研究

为研究剪切来流下超空泡射弹空化与水动力特性,采用Mixture多相流模型、Schnerr and Sauer空化模型和Realizable k-ε湍流模型,对水下剪切来流中的超空泡射弹进行数值模拟研究,来流平均速度为600 m/s,剪切率为0～7 500 s^-1。均匀来流中,包裹射弹的超空泡上下对称,阻力以压差阻力为主,升力系数为0。剪切来流下,超空泡不对称,并向低速侧偏斜,压差阻力略微增加,致使阻力系数增大。由于高速侧绕流更快,低速侧的涡旋产生更显著的卷吸作用,使得射弹受到朝向低速侧法向黏性力的作用,升力系数减小为负值。当剪切率进一步增大时,弹肩高速侧出现沾湿,弹体周围黏度增加,导致阻力系数显著增加,且水压显著大于饱和蒸汽压,压力的法向分量更加剧烈地作用到低速侧方向,升力系数进一步减小。     

柱形93钨弹体超高速撞击薄钢板穿孔及破片群扩展特征

为进一步研究柱形弹体超高速撞击靶板的破片群扩展、弹体侵蚀等问题,开展柱形93钨 弹体超高速撞击薄钢板实验研究。通过量纲分析方法给出柱形弹体穿靶的穿孔直径经验公式;利用高速摄像技术获得靶后破片群运动图像,分析破片群扩展规律以及弹体的侵蚀规律;基于微观组织分析,探索超高速撞击中弹靶材料的熔化问题。结果表明：通过对实验数据的拟合,认为在弹靶材料不变的情况下,靶板穿孔直径、靶后破片群轴向扩展最大速度、横向扩展最大速度近似和弹体直径、靶板厚度、撞击速度相关,而对于弹体侵蚀长度,除上述参数外还与弹体长径比相关;在柱形弹体超高速撞击靶板问题中,靶板背表面产生层裂并在破片群前部形成速度大于剩余弹体速度的“尖端”,可近似由靶板厚度小于弹体直径的0.72倍来确定;当柱形93钨弹体以2~3 km/s速度撞击靶板时,靶后破片群尚未发生大范围熔化,但当破片群、剩余弹体撞击第2层靶板时,受到二次加载作用,撞击区附近将发生大范围的材料熔化。     

弹体高速侵彻超高性能混凝土靶机理

为研究弹体高速侵彻超高性能混凝土的现象和规律,对钢纤维体积分量为1.0％的C120超高性能混凝土和钢纤维体积分量为2.5％的C160超高性能混凝土开展准静态单轴压缩试验、劈裂抗拉试验和弹体高速侵彻试验.采用修正的美国国防研究委员会(NDRC)经验公式和量纲分析得到的经验公式,对侵彻超高性能混凝土试验中的弹体侵彻深度进行...     

基于计算流体力学与刚体动力学耦合的高速旋转弹丸弹道计算方法

为了模拟高速旋转弹丸真实飞行弹道,基于弹轴运动附加于控制体表面、自转运动附加于壁面边界的思想,采用三维有限体积法,改进型简单低耗散迎风矢通量分裂格式、双时间步和Spalart-Allmaras湍流模型等计算流体力学（CFD）方法,建立具有任意拉格朗日-欧拉形式的流动模型。结合高速旋转弹丸刚体运力学（RBD）弹道方程组,推导出弹丸运动和控制体表面运动耦合的数学模型,提出一种CFD与RBD弹道耦合计算方法,实现了4阶龙格-库塔法中流动方程和弹道方程联立计算。研究结果表明：气动耦合方法和时间步长对弹道耦合计算结果影响较大;所提紧耦合方法在时间步长0.5 ms下M549旋成体弹丸仿真弹道结果与采用气动模型法计算结果基本吻合;旋转稳定二维弹道修正弹仿真弹道具有抬头力矩使弹丸低头的特性,该特性与文献［29］的研究结果一致。     

高速动能体对飞机毁伤数值仿真

为研究高速动能体对飞机的毁伤状况,分析了飞机的毁伤模式和等级,并运用ABAQUS软件对高速动能体对飞机重要部件的毁伤过程进行数值模拟,仿真得到对飞机造成不同等级毁伤的动能体的直径与速度,为高速动能体对飞机的毁伤工程应用提供参考。     

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。     

攻角变化超空泡射弹冲击水面的流体物理现象研究

在自行设计制作的实验装置上,用高速摄影机观察了超空泡射弹以57°～80°攻角倾斜地冲击水面及出水过程的流场,分析研究了相关的物理参数。实验结果表明,随着超空泡射弹接近水面,倾斜运动的射弹超空泡的头部形状出现了向水面的偏斜,即关于圆柱形物体轴线不对称; 数值计算结果证实了这种偏斜。分析结果表明,该现象是空泡下部压力大于上部压力造成的。进行了水平超空泡射弹和水面相互作用(90°攻角)的实验,发现了空泡向水面的偏斜和水面的抬升,先导表面波的形成,在自由面上方生成的水鳍及其破裂,自然超空泡向通气超空泡的转换等。基于Logvinovich的半经验公式,比较了测得的空泡形状,结果表明,在弹体头部附近空泡形状出现偏斜的现象。     

弹丸出炮口时间测试方法研究

为了用实验测试方法准确得到弹丸出炮口时间参数,以小口径火炮为实验对象,采用高速摄影法、靶丝通断法、光电法和后坐位移法等4种方法,开展弹丸出炮口时刻的时间参数测试方法研究。用4种方法同时测试同一弹丸出炮口时间,用同一台数据采集系统采集4种信号,以高速摄影法得到的时间曲线为时间基准,将4种时间信号统一到相同时间坐标中。高速摄影法测试最直接、数据最可靠。通断靶丝是被高速燃气流吹断的,而不是被弹头碰断的。先于弹丸泄露的火药气体使光电传感器提前触发。     

基于优化最佳逼近的火箭弹高速侵彻等效缩比方法

文中基于优化理论开展了火箭弹高速侵彻等效缩比方法研究。通过量纲分析、优化拉丁超立方方法确定弹长、弹径、弹体初速度及靶标厚度为设计变量的样本空间,高精度数值计算获取设计变量关于弹体过载和持续时间的目标响应,建立快速分析模型,以响应最佳逼近为优化目标,以最小缩比为约束,模拟退火算法实现等效缩比优化模型的求解。优化结果代入侵彻模型进行参数反演,结果表明,缩比模型与原模型的过载特性具有较高的一致性。