导弹水下运动及出水过程的三维流场仿真

为研究水下发射时的弹道和水动力特性,利用计算流体动力学理论和动网格技术,对水下航行体水下及出水过程进行全三维、六自由度多相非定常数值模拟,结合动网格技术解决了耦合VOF模型模拟气水交界面、航行体运动及计算域的变形等非定常、非线性计算问题.计算得到了航行体的运动学和动力学时域特性.研究了航行体空间流场结构及水动力特性,结果表明,艇速使航行体肩部的旋涡呈非对称性并引起了弹道的空间偏转,航行体的水下运动和出水过程中流体力矩的作用会使偏转角放大.     

水下航行体垂直发射尾部流场数值计算

采用Mixture多相流模型和动网格技术求解非定常RANS方程,对航行体水下垂直发射过程进行数值模拟,研究了尾部形状和尾空泡初始压力对航行体尾部流场、轴向速度等的影响.计算结果与试验结果吻合较好,结果表明尾部形状决定了航行体尾空泡的生成演化过程,进而影响航行体尾部压力和轴向运动速度;尾空泡初始压力越大,出筒后航行体轴向速度最大值越大,尾部压力振荡周期越长.     

水下航行体发射管内流场的数值模拟研究

由于水下航行体发射管内的流场非常复杂又不宜于测量,因而很难得到航行体发射过程中的流场分布情况。文中的主要目的是数值模拟水下航行体在发射管内的运动规律和压力分布。通过工程计算的方法得到了水下航行体在发射管内的运动曲线,在此基础上利用Ansys软件的Flotran模块动网格技术对发射管内流场进行了实时仿真,得到了航行体表面的压力分布。     

绕回转航行体通气空泡末端泄气模式研究

通过布置在水下回转航行体表面的排气缝向已有自然空泡内通气,形成通气空泡,可改善航行体所受流体动力。基于试验研究和数值计算方法,分析通气空泡在傅汝德数(重力)、通气率共同影响下的形态特征和稳定性机理。结果表明,在不同傅汝德数和通气率下,空泡呈现两种不同的流动状态:一种是空泡在航行体表面不闭合,在回转航行体上部形成对涡结构,末端呈涡管状泄气模式;另一种是空泡末端闭合在航行体表面,形成反向回射流,在回射流的切割作用下,空泡会出现断裂和脱落,空泡呈非定常发展,末端呈回射流闭合模式。研究结果为水下航行体流体动力控制方法设计提供指导。     

航行体排气水下发射流体动力数值仿真研究

针对航行体排气水下发射流体动力问题,采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型、标准湍流模型,结合动网格技术,进行发射过程流场数值仿真,获得了航行体表面压力分布及气泡的发展过程,计算结果与试验结果吻合较好;利用形成的数值方法,研究了发射深度、出筒速度对排气气泡发展过程的影响,获得了对工程设计具有参考价值的结论。     

潜射导弹垂直发射过程流体动力特性数值模拟

采用数值模拟的方法研究了潜射导弹垂直发射上升过程空泡多相流和流体动力演化规律。基于连续性方程、空化质量输运方程、混合介质RANS方程和标准k-ε湍流模型,结合动网格技术,实现了弹体边界运动与汽水流场的流体—固体耦合问题求解。以此为基础,数值模拟了重力影响下的潜射导弹垂直发射水下运动过程,对比分析了潜射导弹头型对肩空泡和流体动力的影响,并给出了3组重推比下潜射导弹的水下航行弹道。模拟和分析结果表明,局部肩空泡将增加潜射导弹流体动力,通过改变导弹头部线型可以抑制肩部空化、改善导弹的流体动力。     

水下超空泡航行体减阻能力的数值研究

采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律.采用动态网格,实现了全数值模拟超空泡航行体在水中的运动过程及空泡的生成规律.比较了航行体周围是否产生空泡与航行体是否有推力4种情况,计算结果表明超空泡具有非常好的水下减阻能力.利用超空泡技术可以在不大的推力下使水下航行体的航行速度提高3倍,超空泡航行体应采用火箭发动机动力装置.     

运用FLUENT优化设计某水下航行体外形

采用计算流体力学的方法对某水下航行体的外形进行了阻力的优化设计,从而降低其消耗功率,提高连续工作时间,增加工作效率。经计算表明:优化后的航行体阻力系数明显降低。该方法对于航行体流体动力特性的预测结果精度较高,因而可以用在航行体的预设计及后期验证中,对于航行体的外形设计有缩短计算周期、节约费用的作用。     

尾喷对水下航行体定常流体动力的影响

水下航行体采用火箭发动机作为动力源,其尾部高速喷流会对航行体尾部流场产生巨大扰动,从而影响其定常流体动力参数。基于雷诺平均Navier-Stokes方程加RNGk-ε湍流模型,对尾喷效应采用两相流模型进行模拟,数值仿真得到有、无尾喷流2种情形下水下航行体定常流体动力参数。通过对比2种情况下的流体动力参数发现,在评估水下航行体流体动力性能时,应充分考虑喷流影响。     

一种水下航行体阻力外形优化设计

对于水下航行器的外形设计,在满足内部仪器设备安装空间使用要求的前提下,外形曲线还需要具有优良的流体动力特性。水下航行器的快速性受到越来越多的重视,就影响快速性的阻力特性对一种水下航行体进行外形优化设计,为航行器的快速性提供帮助。     

机弹相容非定常流场的数值模拟

利用分区计算技术,从Euler方程出发,应用三维隐式有限体积TVD格式,数值模拟了飞机悬停状态时某机载导弹机弹相容流场,计算结果详细给出了燃气射流及其对翼壁压力的非定常发展过程,为解决机弹相容问题提供了理论依据。     

潜射导弹运载器的艇体扰流场计算

基于势流理论,对潜射导弹运载器的非定常艇体扰流场及其所受附加流体动力进行了计算,并在运载器完全离开发射管后的艇体扰流场计算的基础上,对运载器离管过程中的艇体扰流场进行了计算,离管过程后所得计算结果与运载器海上试验结果相符合。     

水下超空泡航行器巡航段稳定控制

为研究水下超空泡航行器巡航段稳定控制,保证弹道的可靠性,提出了对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚进行稳定控制.从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,提出了一种适应于稳定控制的流体动力布局,建立了航行器空间运动模型,采用空化器首舵对航行器巡航段进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合.针对超空泡航行器稳定控制进行了系统动态特性仿真.仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控;航行器运动参数可迅速达到期望值,过滤过程和稳定性满足系统要求,鲁棒性强.     

聚能射流侵彻混凝土靶板的工程计算方法研究

详细分析了聚能射流侵彻混凝土介质的整个过程,根据流体模型和流体一弹塑性模型分别推导了侵彻孔深和孔径的计算公式。通过将理论计算值与试验测量值的对比分析.表明该工程计算方法可用于聚能装药对混凝土的侵彻参数计算．有一定的实用价值。     

开架式水下机器人水动力系数计算与动力学建模

为实现开架式水下机器人的操纵性预报和开展控制算法的研究,提出一种基于格子波尔兹曼方法（LBM）的水动力系数数值计算方法。对比LBM和传统雷诺平均Navier-Stokes方程方法在稳态纵荡运动和斜航运动中的模拟结果,验证LBM的可行性。建立大振幅非稳态平面运动机构试验的严格运动函数,根据水下机器人结构特点构建包含惯性水动力系数、线性与非线性黏性水动力系数的水动力模型,并采用最小二乘法辨识水动力模型参数。对标准操纵性试验进行数值仿真,验证所建立的6自由度运动方程的有效性。结果表明：与基于传统计算流体力学技术的水动力计算方法相比,LBM不会受水下机器人外形复杂程度的限制,避免了非稳态运动模拟中复杂动网格的更新难题;通过大振幅平面运动机构试验模拟缩短了水动力系数计算周期,该水动力学模型较完整,更适用于操纵性预报和控制算法的研究。     

UUV水下对接过程中非定常流体动力数值仿真

UUV水下对接回收过程中,回收装置和UUV之间存在非定常流体干扰现象。采用有限体积法和非结构动网格技术,运用SIMPLEC算法及k-ε湍流模型,在笛卡尔坐标系下对UUV水下对接过程进行数值模拟,并得到不同速度和攻角下,UUV流体动力随距离的变化规律及相应流场分布。通过UUV与远场实验值进行对比分析,验证了基于动网格技术的有限体积法在处理UUV水下对接过程中流体干扰问题的可行性。     

弹道修正迫弹制导方法与制导精度研究

针对传统迫击炮弹落点精度差,打击精度低,设计了迫击炮弹弹道修正算法,采用摄动落点偏差预测法、自适应比例导引法、自适应比例微分导引法对弹道进行修正。建立了六自由度弹道模型及控制模型,阐述了摄动落点偏差预测法和比例导引法基本原理; 针对比例导引律中常值比例系数不符合实际弹道变化的特点,在纵向平面设计了自适应比例导引律,横向平面设计了自适应比例微分导引律。采用蒙特卡洛模拟打靶仿真验证,考察制导律在纵向平面、横向平面以及复合制导的修正能力。仿真结果表明,在纵向平面,自适应比例导引律效果最好; 在横向平面,自适应比例微分导引律效果最好。仿真分析了3种制导方法的复合制导效果。仿真结果表明,在纵向平面升弧段采用摄动落点偏差预测制导方法,以及在降弧段纵向平面采用自适应比例导引律、在横向平面采用自适应比例微分导引律的复合制导能力得到有效提升,迫击炮弹落点圆概率误差从无控时的126.317 m降为0.965 5 m。大射角、小射程条件下模拟打靶,圆概率误差为1.864 3 m。     

基于免疫遗传算法的潜艇水动力系数优化研究

针对潜艇空间运动方程中的水动力系数优化问题,采用一种基于适应性权重免疫遗传算法解决多目标非线性优化问题。选择若干对潜艇操纵控制具有高敏感度的水动力系数作为优化变量,运用适应性权重方法确定权重和目标函数,将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行处理。针对某型潜艇,选取水平面Z型操舵机动、垂直面梯形操舵机动和水平面定常回转运动3种典型运动形式作为研究对象,就水动力系数优化前后的效果进行了仿真分析,证明了本文采用的优化方法的有效性。     

通过缩比试验数据计算潜射导弹的载荷

即使潜射导弹缩比模型试验中弹道、弹体外形、空泡生成、发育、回射及溃灭规律满足缩比相似律,但由于模型的结构动力学特性相似关系难以满足,导致缩比试验数据难以直接计算原型载荷。提出了一种利用缩比模型试验弹体表面测压数据计算原型弹体横向动力响应的修正计算方法。该算法将测压数据分解为“空泡回射与溃灭” 水动力和与弹体结构振动有关的水动力两部分。通过对第一部分水动力建立确定的数学模型,对第二部分水动力用附加质量和附加阻尼进行表述,基于该算法计算得到了原型弹体的动力响应,并与水动力直接转化算法进行了比较。结果表明二者的差别不可忽视。此方法可为潜射导弹载荷计算提供有益的参考。