非结构隐式LU-SGS方法在空心弹丸流场数值模拟中的应用

采用非结构网格的LU-SGS隐式算法计算三维Euler方程，数值模拟了不同 马赫数以及不同攻角下某空心弹丸绕流流场，分析了流场的波系结构及其升阻力特性，计算 结果表明空心弹丸的阻力系数比同口径的普通弹丸的阻力系数大约小30{\%}，空心弹丸的 阻力系数以及升力系数随攻角的变化规律与普通弹丸一致.     

一种基于坐标系级联的攻角探测方法

攻角作为描述弹体飞行状态的重要参数,是外弹道测试的重要内容之一。针对制导炮弹空中飞行时直接探测弹丸攻角相对较为困难的问题,提出了一种基于坐标系级联的弹丸攻角探测方法。该方法以弹用MINS/GNSS组合导航参数的输出为基础,建立了弹丸攻角的探测模型,采用坐标系级联的方式实现了弹丸攻角的最优估计。某型精确制导炮弹的数值仿真结果表明:采用本文提出的攻角探测方法得到的攻角估计误差分布在0.7°,并且MINS/GNSS组合导航系统姿态输出精度以及各个传感器测量精度的提高均有助于弹丸攻角的最优估计。该方法是一种在不需要增加额外探测设备的基础上实现弹丸攻角最优估计的有效方法,可以为弹丸攻角探测的实际工程应用提供新思路。     

空心弹高速入水机理及特性数值模拟研究

为分析空心弹高速入水的机理及其特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程、VOF(volume of fluid)多相流模型、Realizable k-ε湍流模型,引入Schnerr-Sauer空化模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行数值模拟研究,获得了通孔孔径和头部形状对空心弹的空化特性、空泡形态和入水运动特性的影响规律。研究显示数值计算的空泡形态和入水速度、位移曲线与实验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可行性。结果表明：当通孔孔径不同时,通孔孔径越大,空化现象越明显,通孔射流越长,但对空泡半径的影响不大;通孔孔径越小,空泡闭合时间越早,与水面碰撞产生的阻力系数峰值越高,空心弹入水稳定后其阻力系数也越大;无量纲直径在0.575～0.600之间时,空心弹的运动最为稳定。当头部锥角不同时,头部锥角越大,空泡直径越大,空化现象出现得越晚,但空化生成的速度更快;随着头部锥角的增大,阻力系数变大,空心弹的速度衰减变快,相同时间运动的距离较短;头部锥角越大,俯仰角的变化越小,空心弹的运动越稳定。     

平板大攻角绕流升力和阻力系数的计算

二维平板或二维对称薄翼型大攻角绕流升力和阻力系数与攻角之间存在的函数关系一般用数据表格的形式给出。本文根据垂直平板绕流阻力实验数据和对称薄翼型全攻角绕流实验数据,分析得到了平板大攻角绕流总压力及其升力分量和阻力分量系数的近似计算公式。结果表明：平板总压力系数约等于攻角正弦值的2倍;总压力的阻力分量系数约等于攻角正弦值平方的2倍;升力分量系数约为攻角2倍的正弦值。计算结果与两组试验数据具有较好的一致性。     

弹头侵彻明胶的运动模型

为探讨弹头在肌肉组织中的运动规律,以明胶作为组织模拟物,结合明胶力学性质,在区别攻角和 偏角的情况下,建立同时考虑水平和垂直方向弹头侵彻明胶的二维运动模型。以7.62mm 普通弹和5.8mm 普通弹为杀伤元,根据龙格-库塔法原理对运动模型进行数值计算。同时,对2种弹丸侵彻明胶实验数据进行 了对比分析。分析结果表明,该二维运动模型能够准确合理的描述2种弹丸侵彻明胶的运动过程,具有一定 通用性,可为弹药设计和战伤救治提供理论参考。     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

基于CFD方法的高墩大跨箱梁桥静风力系数参数影响研究

基于计算流体力学(CFD)对某连续刚构桥主梁不同截面、不同工况下的风场特征进行了数值仿真分析,研究了梁高、风攻角、桥梁横坡等参数对桥梁主梁截面静力三分力系数(阻力系数、升力系数、扭矩系数)的影响,并结合气动流场特征分析了不同截面及攻角下的压强和速度分布。研究结果表明:梁截面高度、风攻角、截面横坡均对桥梁静力三分力系数有较大影响,但三者对三分力系数影响的侧重点不同:梁截面高度对阻力系数影响最大,变化幅度达0.494;攻角对升力系数影响最大,变化幅度达0.382;截面横坡主要体现对阻力系数的影响,变化幅度为0.17。静力三分力系数对梁体截面的形状及尺寸变化较敏感,梁体截面左右侧迎风时,阻力系数相差0.04~0.21,升力系数相差0.009~0.2,扭矩系数相差0~0.07;梁高越大,截面钝体特征越明显,周围的流场分布越复杂。     

平流层双轴椭球体飞艇绕流场的数值分析

本文在CFD软件FLUENT6.3的计算平台上采用时均Navier—Stokes方程与Realizable k-ε湍流模型对平流层双轴椭球体飞艇进行了数值模拟。着重分析了与飞艇轴线垂直的截面的周向摩擦阻力系数和压力分布情况,飞艇背部的分离流动特点,物面剪切层分离流动规律,空间流态,以及它们随攻角的变化规律。结果发现,飞艇背部的分离流动是基本对称的。在小攻角下只存在闭式分离,而随着攻角的增大也出现了开式分离。分离区随着攻角的增大而增大,分离线的起始点位置随着攻角的增大向上游移动。15°攻角时没有发现二次分离,30°,40°,45°攻角下都发现了二次分离。在相同的攻角下伴随流动沿飞艇轴线向下游发展时,分离流动的区域在横向截面上增大了。     

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°～8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°～8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.     

旋转弹丸入水侵彻规律

为了建立高速弹体入水弹道的模型,利用数字式高速录像机实验研究了球形与普通手枪两种弹丸在三个入水角、六种发射速度下斜入水的水中弹道轨迹与空泡。实验结果表明,弹丸形状对入水弹道的稳定性有重要影响。球形弹丸在斜入水时弹道稳定性较好,而普通制式弹丸的弹道不稳定。在一定的入水角与速度范围内,球形弹丸入水初期弹道的空泡特性、弹道轨迹以及速度衰减规律具有一定的相似性。而对于水中速度随时间的衰减规律,则两种弹丸都具有一定的相似性,且表现出极强的速度衰减特性。给出了弹丸水中速度衰减规律的数学预报模型,并与实验结果进行了比较,理论结果与实验结果吻合较好。     

带涡襟翼翼型流场的数值模拟

以数值计算为手段,分析了带涡襟翼的翼型的流场特性,分别对迎角及扰流板偏角对翼型气动性能的影响做了分析。结果表明,在小迎角来流情况下,保持迎角不变,涡襟翼偏转角度越大,升力越小,阻力越大,呈现较好的线性关系。在大迎角情况下,绕翼型的流动发生分离,通过适当控制涡襟翼的偏转角度,能够有效的改善翼型的失速特性,从而达到流动控制的目的,迎角越大,涡襟翼所需偏转的角度越大。     

Numerical investigation of fluid flow past circular cylinder with multiple control rods at low Reynolds number

Laminar flow past a circular cylinder with multiple small-diameter control rods is numerically investigated in this study. The effects of rod-to-cylinder spacing ratio, rod and cylinder diameter ratio, cylinder Reynolds number, number of control rods and angle of attack on the hydrodynamics of the main circular cylinder are investigated. Four different flow regimes are identified based on the mechanism of lift and drag reduction. The range of rod-to-cylinder spacing ratio where significant force suppression can be achieved is found to become narrower as the Reynolds number increases in the laminar regime, but is insensitive to the diameter ratio. The numerical results for the case with six identical small control rods at Re=200 show that the lift fluctuation on the main cylinder can be suppressed significantly for a large range of spacing ratio and various diameter ratios, while the drag reduction on the main cylinder is also achieved simultaneously. The six-control-rod arrangement has shown better performance in flow control than the arrangements with less control rods, especially in terms of force reduction at various angles of attack.     

Experimental study of the aerodynamic characteristics of a low-aspect-ratio flat plate array in a configuration of interest for a tidal energy converter

Wind tunnel experiments were conducted for the flow around a single flat plate and through an array of three parallel flat plates at different angles of incidence to compare their lift and drag coefficients for several values of the Reynolds number around 10⁵ and for three aspect ratio values. The selected cascade configuration is of interest for a particular type of tidal hydrokinetic energy converter. The main differences in the lift and drag forces are discussed, finding that for a plate in a cascade the maximum lift coefficient takes place at a quite different angle of attack, depending on the aspect ratio. The optimal conditions for extracting power from a tidal current are analyzed.     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

飞行器纵向俯仰气动特性计算研究

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,计算了巡航导弹外形飞行器作小振幅俯仰运动时的动态绕流流场和空气动力特性,开展了导弹绕不同转轴、以不同频率和在不同迎角范围内进行俯仰运动的非定常气动力迟滞特性研究。计算结果表明,当导弹作快速俯仰运动时,在上仰和下俯过程中的同一迎角瞬间,绕导弹流场流动明显不同,表现出明显的非定常迟滞特性。导弹的非定常气动力迟滞特性随俯仰运动频率的增大明显增强,且气动力迟滞曲线随着俯仰轴位置的变化而变化。在同一减缩频率下,导弹在不同迎角范围内作周期俯仰运动时,相同的运动相位角所对应的升力系数对迎角的导数是一致的,而不同减缩频率下升力系数对迎角的导数随运动相位角变化曲线明显不同。     

Fluid forces on a square cylinder in oscillating flows with non‐zero‐mean velocities

The unsteady forces on a square cylinder in sinusoidally oscillating flows with non‐zero‐mean velocities are investigated numerically by using a weakly compressible‐flow method with three‐dimensional large eddy simulations. The major parameters in the analysis are Keulegan–Carpenter number (KC) and the ratio between the amplitude and the mean velocities of the approaching flow (A_R). By varying the values of KC and A_R the resulting drag and lift of the cylinders are analyzed systematically at two selected approaching‐flow attack angles (0 and 22.5^°). In the case of the non‐zero attack angle, results show that both the drag and lift histories can be adequately described by Morison equations. However, Morison equations fail to correctly describing the lift history as the attack angle is zero. In addition, when the ratio of A_R/KC is near the Strouhal number of the bluff‐body flow, the resulting drag is promoted due to the occurrence of resonance. Based on the results of systematic analyses, finally, the mean and inertia force coefficients at the two selected attack angles are presented as functions of KC and A_R based on the Morison relationships. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

高升阻比乘波构型优化设计

在M∞ =6, 30km高空条件下，以升阻比为目标函数，进行了锥形流乘波体的黏性优化设计，讨论 了影响乘波体升阻比的因素，并对优化结果进行了数值验证. 结果表明：对于升阻比最大的 黏性优化乘波体，存在最优圆锥角使得源自该基本流场的乘波体升阻比最大；摩阻和波阻处 于同一量级；体积率、细长比和展长比都随着基本流场圆锥角的增大而增大.