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.     

空化器参数对超空泡初生位置影响大涡模拟

为揭示空化器参数对超空泡初生位置的影响规律,离散求解了三维气液两相大涡模拟控制方程组,对三维不同空化器参数模型下超空泡流动进行了数值模拟。在不同空化数条件下,通过数值模拟获得超空泡无量纲几何参数并与实验数据对比,结果表明两者吻合良好。在此基础上,分析了不同空化器形状、直径对超空泡初生位置影响。分析结果为探索高速航行体空化器性能与水动力特性提供了数值参考。     

超空泡航行器20°角倾斜入水冲击载荷特性试验研究

为探究带圆盘空化器的超空泡航行器倾斜入水过程冲击载荷特性,开展了20°入水角条件下的试验研究。超空泡航行器由空气炮加速获得入水初速度,采用内置惯性测量单元记录载荷变化,试验完成后提取数据进行分析;试验设定了典型入水工况,分析了航行器入水冲击过程轴向载荷的变化特性,进行了入水速度和空化器面积对入水冲击载荷影响的系列试验,分析了各参数下的冲击载荷特性。研究结果表明：航行器入水冲击载荷峰值时刻侵彻距离为空化器直径的1.89倍, 阻力系数为稳定航行阶段的1.33倍;在所研究的范围内入水速度和空化器面积对阻力系数峰值无影响。     

基于RANS方法超空泡流数值计算方法研究

为了得到超空泡流准确的数值计算方法,基于乌克兰国家科学院IHM的空泡形态计算经验公式与Logvinovich空泡截面独立扩张原理,利用数值优化的方法,建立了空泡形态计算模型;采用有限体积法验证了超空泡流的数值离散方法,对不同空化数下,5种两方程RANS模型进行了数值计算,数值计算结果与基于经验公式的空泡验证模型比较表明：Kω-Sst模型相比其他两方程 RANS 模型准确度更高,关于空泡最大截面直径的无量纲计算误差小于14％;对空泡长度的数值计算误差小于8％,空化数小于0．01时,小于4％。基于建立的准确数值计算模型,对空化数为0．015时超空泡航行体进行了流场特性数值计算。结果表明：由于空化器锐缘影响,在空化器后部形成了高速气流区域并且存在明显的速度梯度,艏部空化器附近承受静水压力达123个大气压。基于数值计算结果,为超空泡航行体设计提供了改进意见。     

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.     

锥形空化器流体动力特性研究

为探究锥形空化器所具有的水动力学特性,在水洞中开展空化器系列实验研究,得到了不同锥角空化器的水动力参数。分析了锥形空化器的锥角对航行体流体动力特性的影响;给出了锥形空化器截平头时的动力学特性及不同截平头面积下的阻力变化。研究结果表明：锥形空化器的锥角大小影响空化器阻力系数和升力系数的大小;不同锥角下空化器升力系数位置导数相差较大;截平头面积较小时对航行体阻力系数影响较小,可以近似为全锥空化器。文中的实验结果对锥形空化器的选型应用以及超空泡航行体的控制特性分析具有参考价值。     

不同尾部超空泡航行体阻力特性数值模拟研究

为了研究在不同的后体模型情况下，通气超空泡的形态及航行体的形状阻力特性，利用商业CFD软件Fluent6．0，对无后体和四种不同后体模型的航行体进行了通气超空泡数值模拟研究．获得了不同后体模型下，通气超空泡航行体的形状阻力系数变化规律及超空泡形态变化规律，同时获得了速度和通气压力的变化对各种后体模型通气超空泡航行体形状阻力系数及超空泡形态的影响，对开展不同后体模型航行体的通气超空泡试验研究具有指导意义．     

航行体通气超空泡起始与形成实验研究

对不同直径系列的圆盘、圆锥空化器航行体模型通气超空泡的起始与形成机理进行了水洞实验研究.通过实验观察以及对实验结果的深入分析与数值计算,得出结论(1) 稳定、光滑的航行体通气超空泡生成机理是在航行体头部形成低压涡流区,使向该低压区域通入的气体能够留存且压力能够不断升高,以降低该区域的空化数,直至达到起始空化数.(2)空化器与扩张段(锥段)组合是超空泡航行体前段首选的外形.(3)航行体超空泡生成速度取决于中头部雾状空泡阶段,主要应通过空化器、扩张段及通气参数的优化匹配加以解决.     

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.     

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.     

底凹装置对弹丸阻力系数的影响

为增大射程、增大弹丸的破坏威力和提高射击精度,采用Fluent软件研究底凹装置对弹丸阻力系数的影响。以某122底凹榴弹为例,利用UG建立122 mm普通榴弹和122 mm底凹榴弹的三维立体模型,并分别在不同马赫数和不同底凹深度条件下对其进行仿真对比分析。结果显示,当马赫数小于1时,阻力系数减小百分比最大,并且在底凹深度为100 mm时,弹丸具有最佳的减阻效果。仿真结果表明:底凹装置对弹丸有一定的减阻增程效果,在亚音速情况下效果最为明显;而增大底凹深度能增大减阻效果,但底凹深度有一最佳值。     

激波针气动特性及外形参数优化研究

采用钝头体的飞行器在超声速特别是高超声速条件下,其前缘会形成头部弓形激波,进而带来较大的波阻,严重影响飞行器的气动性能。相关研究表明,在高超声速条件下,钝前缘安装激波针可以将激波推离物面,从而减小头部表面压力,是减小超声速钝体阻力的有效方法,但在超声速,特别是一些巡航速度不高（马赫数Ma=1.5左右）的导弹中,为满足射程等相关要求,对激波针减阻的使用价值还有待进行验证。为了研究激波针在Ma=1.5条件下对轴对称钝锥外形气动特性的影响,通过数值模拟方法对比了不同形状激波针在Ma=1.5条件下的减阻效果,分析了减阻机理及外形参数影响;通过基于Kriging和遗传算法相结合的优化方法对主要外形参数进行了优化设计,给出了减阻效果较好的激波针外形参数选取范围,对工程应用具有一定的借鉴意义。     

弹丸阻力曲线随高度变化的计算研究

当弹丸的飞行高度在0-3000米之间变化时,弹丸的阻力曲线不再仅仅只依赖于弹形参数和马赫数,而应当随高度变化而有所变化.本文研究了雷诺数随高度的变化,计算了阻力曲线随高度的变化,并编制了相应的计算程序.     

某SUV 气动特性仿真分析与试验研究

针对风洞试验对汽车设计应用的限制,提出采用STAR-CCM+软件进行模拟计算.对某SUV的空气动力学模拟过程与对其进行的风洞试验验证进行详细的描述,比较不同工况下的风阻系数结果,研究不同风速和横摆角下的风阻系数.结果表明,CFD数值仿真方法是可行、有效的,可以大大减少风洞试验的费用,缩短周期.     

基于遗传-最大似然方法高速旋转弹丸阻力系数辨识

为了进一步提高高速旋转弹丸气动参数辨识技术的精度,为射表编制、弹箭飞行控制技术等提供更加可靠的基础数据,对参数的可辨识性问题进行了理论上的定量分析,利用遗传-最大似然方法,通过弹丸空中自由飞行的速度数据对零升阻力系数进行了辨识。通过仿真实验对算法的精确性和可靠性进行了充分的验证。用该算法对实际飞行数据进行了处理,得到了较为精确的弹丸零阻系数,并应用于工程实际问题,分析了仿真实验和实际实验的数据。结果表明,该算法具有较高的数据辨识精度并能有效地解决实际工程问题。     

炸弹空气阻力加速度的仿真与实现

文中在平方阻力定律、1950年航空炸弹阻力定律的基础上,针对领航轰炸仿真的特点,根据牛顿第二运动定律和几何学等,给出了炸弹在空中运动时空气阻力加速度的仿真算法,重点讨论了速度函数与炸弹速度和空气阻力加速度的关系、阻力系数与马赫数的关系.利用这个仿真算法,对某型轰炸机领航轰炸模拟器进行了软件编程和调试,实际应用表明,该算法的解算精度高、计算的弹着点准确.     

限制器对弹丸阻力计算的影响

采用通量型NND(无波动无自由参数的耗散)差分格式结合不同限制器,计算了某超音速小攻角飞行弹丸的阻力.给出了沿弹迎/背风面压力系数和切应力系数的分布曲线,分析了不同限制器对阻力系数的影响.结果表明,压缩型限制器捕捉压力和切应力变化的能力最强,耗散型限制器会抹平压力和切应力峰值;耗散型限制器计算的阻力系数误差最大;采用可微限制器计算的层流阻力系数最符合试验值;各限制器计算的摩阻系数随来流马赫数的增大逐步与van Driest工程计算值相吻合.     

SPS水中枪弹超空泡减阻研究

基于均质平衡多相流理论,采用Fluent6．3对SPS水中枪弹的流体动力特性进行了数值模拟,研究了其利用超空泡进行减阻的规律．结果表明：随空化数增大,枪弹空泡形态减小,阻力系数增大;在发射深度不变的情况下,随时间的推移,枪弹的速度减小,射程增加;随发射深度增加,速度衰减变快,射程减小;枪弹的质量、几何参数、发射速度和深度影响射程．