尾翼对高速射弹的空化与阻力特性影响分析

为研究尾翼对高速射弹水下运动时流体动力特性的影响,基于简化Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型,通过求解汽水混合物的RANS方程和相间质量传输方程,建立了具有相同弹体尺寸的有尾翼和无尾翼的两种平头射弹水下高速运动多相流计算模型.在相同的初始速度下,计算并对比分析两种射弹水下高速非定常运动的空泡形态及阻力特性.计算结果表明:两种射弹模型在水下高速运动时,均能迅速形成稳定的自然超空泡,有尾翼射弹的尾翼刺入空泡壁面内,破坏空泡原有的对称圆截面,形成带有凸起的空泡壁面形态;有尾翼射弹阻力系数大于无尾翼射弹阻力系数,且有尾翼射弹的阻力系数对空化数的变化更为敏感,随着空化数的增加,有尾翼射弹的阻力系数急剧增大,尾翼改变了弹体尾部超空泡的溃灭形态,空泡溃灭于弹体尾部时均引起阻力系数的波动;有尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径均大于无尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径,且在空泡溃灭于弹体尾部时,受尾翼的影响,两种射弹的空泡量纲一的长度、直径的变化速率有所差异.     

射弹尾翼数对超空泡流特性的影响

为研究尾翼数对超空泡的影响规律,采用ANSYS CFD软件,通过Schnerr-Sauer空化模型对带有不同尾翼数水下高速射弹的超空泡流特性进行了三维的数值模拟研究,分析了尾翼数的不同对超空泡形成和发展的影响以及不同尾翼数下射弹的阻力系数。结果表明:无尾翼与有尾翼射弹超空泡的发展过程基本相同,但由于尾翼的存在,使得尾翼后面的超空泡表面粗糙,同时会对超空泡的形状造成一定的扰动,使其形状发生相应的凹凸变化,且尾翼数越多,扰动会越明显;随着射弹尾翼数的增加,超空泡的无量纲直径、长度会呈现逐渐增大的趋势,且在未形成完整超空泡前,射弹阻力系数正比于射弹尾翼数。将Logvinovich超空泡截面独立膨胀原理的结果与数值模拟结果进行比较,发现Logvinovich半经验公式计算结果和数值模拟结果相吻合。     

超空泡图像的图像增强算法

针对水下高速射弹超空泡图像照度不均匀的问题,分析了现有各算法的特性,综合抛物线调整的直方图均衡化和增强细节的自适应直方图均衡化方法对水下高速射弹超空泡图像进行增强,并结合边缘检测技术进行信息反馈,找出了针对超空泡图像的抛物线调整直方图均衡化方法的最优参数.在增强细节的同时减少了噪音的产生,为准确获取空泡外形提供了有利的条件.     

超空泡航行体加速段通气规律设计

利用高速射弹试验对超空泡的形态特性进行了研究,获得了空泡数与超空泡形态参数之间的拟合公式.以此为基础,结合相关文献中的空泡数与通气系数之间的经验公式等,对水下超空泡航行体加速段通气规律进行了系统研究,并给出了算例设计.设计结果表明,加速段速度从25 m/s增长到95 m/s的过程中,要求通气量在0.002~0.17 m3/s,而超空泡长度从0.57 m增长到2.24 m,覆盖模型的95%表面积,具有很好的理论减阻效果.     

超空泡射弹尾翼流体动力特性实验分析

为研究尾翼对超空泡流型发展及射弹流体动力的影响,在高速水洞中进行了通气条件下的超空泡射弹尾翼流体动力特性实验.首先基于高速水洞搭建了通气空化绕流实验测试系统,同时根据射弹基本外形,按照相似理论设计了尾翼测力实验模型,为改变空泡壁面与尾翼的相对位置关系,用以研究穿刺高度对射弹尾翼流体动力特性的影响,实验中采用调整空泡尺寸或模型安装姿态来改变尾翼穿刺高度,最后对实验方案的合理性进行了充分的论证.通过改变测试工况对超空泡射弹尾翼的流体动力特性开展实验研究,得到了不同穿刺条件下尾翼对空泡流型的影响规律及其流体动力特性.研究结果表明:尾翼穿刺空泡以后,在其顶部和侧面生成的二次空泡将显著改变主体空泡的形态,且随着穿刺高度的增加,尾翼对主体空泡的影响更加明显;尾翼的流体动力主要产生于前缘沾湿部位,且随着穿刺高度的增加升力系数和阻力系数均显著增加;在尾翼穿刺空泡的条件下,其阻力系数和升力系数随攻角的增大而线性增加.     

超空泡航行体控制效果的视景仿真研究

为了逼真地模拟超空泡航行体的航行状态及控制效果,采用虚拟现实技术开展了超空泡航行体控制效果的可视化仿真研究,开发了相应的仿真软件平台.在超空泡航行体动力学模型及空泡复杂形态计算的基础上,选择合适的控制器,结合虚拟现实技术对超空泡航行体控制效果进行了三维立体视景仿真.研究结果表明,该视景仿真系统能够模拟超空泡航行体的水下运行环境、空泡的生成过程、航行体航行姿态的动态变化过程等,有利于获得超空泡航行体控制效果的清晰、直观的认识,为超空泡航行体控制问题的研究提供了一种便捷有效的研究途径.     

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。     

轴向周期载荷下超空泡射弹的动力稳定性分析

针对超空泡射弹水下高速运动时前端受轴向载荷作用,建立超空泡射弹截锥形结构的动力偏微分方程,将其转化为二阶常微分Mathieu型参数振动方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算,求解出动力不稳定区域边界.分别分析了不同弹体杆径比、不同射弹航行速度以及不同弹体长度等3种情况对超空泡射弹动力稳定性的影响.数值计算表明,当弹体杆径比增大时,射弹动力不稳定区域整体减小且不稳定激发频率增大;而弹体长度或航行速度增大时,射弹动力不稳定区域整体增大且不稳定激发频率减小.     

初始扰动对射弹尾拍运动及弹道特性影响分析

为研究射弹的初始扰动对射弹的尾拍运动、超空泡形态及弹道特性的影响,基于计算流体动力学程序CFX,通过二次开发使用CEL语言将刚体动力学方程嵌入计算模块并实现刚体动力学方程与流体(unsteady reynolds averaged navier-stokes,URANS)方程的耦合求解,建立了超空泡射弹在不同初始扰动下自由减速运动的计算流体动力学模型.在相同的初始速度下,计算并对比分析射弹在不同初始扰动下的空泡形态特征、弹尾压力分布特征及弹道特性.计算结果表明:射弹发生尾拍运动时弹体尾部与空泡壁面发生碰撞,这种碰撞破坏了空泡形态的对称性;初始扰动对射弹的水平速度与位移影响较小,但对垂直位移影响较大;初始扰动越大,射弹的俯仰角、角速度和角加速度的振幅越大且频率越高.     

水下超空泡航行体纵向机动运动控制研究

针对超空泡水下航行体机动很难控制的问题,通过对滑水力、尾翼受力的分析,完善了超空泡航行体模型,使用反馈精确线性化方法对非线性系统模型进行线性化处理,使用多输入多输出极点配置法为航行体设计控制器,采用空化器和尾翼分段延时控制的方法,对超空泡航行体在纵平面内的航行深度进行控制.仿真证明,改进的水下超空泡航行体的模型符合实际...     

水下高速运动体运动稳定性的分叉分析

为保证水下高速运动体能在高速时稳定运动,使用分叉法确定其稳定运动的范围和条件.通过对运动体受力和超空泡特性进行分析,建立了水下高速运动体的纵向运动模型,采用分叉法求系统分叉点来确定模型稳定运动的范围,使用数值仿真对水下高速运动体的运动进行分析,提出了对分叉点位置进行控制的方法.仿真结果表明,建立的水下高速运动体的纵向运动模型符合运动体的实际运动规律,在分叉点处模型的运动特性产生突变,系统分叉点位置可以进行有效控制.证明了分叉分析法能够准确判定保证水下高速运动体稳定运动的空化数范围,并且其范围可控.     

Structure reliability analysis based on supercavity vehicle steady motion

Taking the steady motion status as a starting point,according to the modeling of actual state of theoretical analysis,a predigested model of supercavity vehicle was established,and relationship expressions of these angles were obtained when the movement of supercavity vehicle was stable.A theoretical analysis on the stability of underwater high-speed movement in the movement simulation program was conducted and the simulation results were given.Then the force status of the supercavity vehicle was elicited from the results.The finite element analysis was carried out based on the stability at all angles obtained from simulation results.Taking a pilot model as example,the Monte Carlo method was adopting to analyze the reliability with the given state of force and displacement.The result indicates that this method is feasible.     

分叉分析在水下高速运动体稳定控制中的应用

为保证水下高速运动体在水中能稳定地高速运动,使用分叉法分析运动体的运动稳定性和稳定运动的区域.对运动体受力和超空泡特性进行分析,利用Matlab/R2007a sirnulink仿真平台,建立了水下高速运动体纵向运动动力学模型的模块化仿真模型.采用分又分析法确定系统分叉点、模型稳定运动的区域和运动稳定性,并使用数值仿真验证.仿真结果证明,建立的水下高速运动体的纵向运动仿真模型符合运动体的实际运动规律,在分叉点处模型的运动特性产生突变,在指定区域内模型能够稳定运动.     

纵平面回转运动通气超空泡形态及压力特性

通气超空泡技术是提高水下航行体运动速度的一种新兴技术,为研究通气超空泡在航行体纵平面回转过程中的机动性问题,本研究基于有限体积法,采用VOF多相流模型和RNG k-ε湍流模型,利用数值模拟软件Fluent建立了非定常通气超空泡流动的三维计算模型.通过求解多相混合物的雷诺平均Navier-Stokes方程,分析了空化器模型纵平面回转运动过程的非定常多相流动特性,得到了纵平面回转运动条件下通气超空泡的形态变化及其与空泡周围压力分布的关系.计算结果表明:通气超空泡在回转运动过程中受到离心力作用而产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道有逐渐重合的趋势;向下回转时空泡最大直径逐渐减小,向上回转时最大直径逐渐增大;相较于向上回转运动,纵平面回转半径对向下回转运动的空泡形态存在较大影响,且空泡尾部闭合位置的偏转方向不一致,向下回转时空泡尾部发生外漂,向上小角度回转时空泡尾部发生内漂;由于离心力以及空泡轴向的逆压梯度限制,向上回转过程空泡长细比显著增大,向下回转过程空泡长细比缓慢减小.     

水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.     

通气量突变对通气超空泡形态影响的试验研究

为研究通气流量突变对超空泡形态的影响,在高速水洞实验室进行了系列通气超空泡生成、维持和通气流量突变对空泡形态的试验研究。结果表明:①生成超空泡的通气流量与维持相应空泡形态的通气流量相差很大,此次研究所用模型生成空泡所需最小通气量是维持空泡所需最小通气量的2.616倍左右。②超空泡生成后,通气流量的突变对空泡形态、泄气方式和稳定性均有重要影响。文章研究结论可为进一步研究超空化的工程应用提供参考。     

通气超空化对水下火箭发动机性能影响

火箭发动机具有功率密度大、推力大等优势,常被用作主动攻击高速水中兵器的推进器.然而,火箭发动机在水下工作时喷管出口压力发生剧烈脉动,进而影响发动机的推力性能,甚至造成安全事故.为研究火箭发动机在水下的工作特性和尾流场特性,基于VOF多相流模型和理想气体模型,建立了高温高压燃气水下超声速喷流的数值模型,分别在单相水来流和通气超空化来流条件下对火箭发动机的内外流场进行仿真计算,获得了通气超空泡、工作压力等因素对火箭发动机尾喷流场的影响规律.研究结果表明:无通气超空化时,尾喷流存在明显的颈缩、胀鼓、回击等非定常现象,发动机推力剧烈脉动;存在通气超空化时,火箭发动机喷出的燃气与超空泡内气体掺混排出,尾流场的非定常特性显著减弱,发动机推力未产生剧烈脉动;当发动机工作压力增大为设计压力一倍时,在无空化条件下燃气流量及发动机推力分别产生30.4%和20.6%的振荡幅度,在通气超空化条件下发动机的工作性能几乎不受工作压力的影响.     

基于虚拟现实技术的深水航行器操纵仿真系统的研究

深水航行器操纵仿真系统可用于人员训练、深水航行器性能及相关设备性能的研究．文章介绍了基于虚拟现实技术的深水航行器操纵仿真系统的体系结构设计、功能特点和六自由度水动力数学模型．针对海底视景具有覆盖范围广、数据量大等特点,提出了一种海底虚拟场景的建模方法和高效视景数据库的设计方法,并对视景驱动程序需要重点解决的几个问题：探照灯照明效果、机械手深海作业、声呐测距仿真、深海热液矿动态仿真和多通道视景系统的同步等作了深入介绍．这些技术和方法已成功应用于深水航行器操纵仿真系统的研制。     

Numerical simulation and experimental research on penetration of composite ceramic armor by rod projectile

The performance of composite ceramic armor penetrated by rod projectile was studied by both numerical simulation and experiment. The penetration and damage mechanisms of the projectile-armor after high-speed collision were also observed by high-speed photography. The experimental results showed that the ballistic performance of composite ceramic armor was highly affected by the density, hardness and toughness of bulletproof ceramic. The flow stress of the failed bulletproof ceramic is not only related to the pressure but also related to the strain rate. The phenomenological method based on Bodner-Partom ceramic model was introduced to derive the growth rate of damage. Numerical simulation results show good agreement with the experimental results.