阶梯式圆柱射弹小角度入水弹道特性研究

圆锥圆柱外形射弹小角度高速入水过程中,入水初期空泡呈不对称性发展.随着入水角度减小,入水空泡发展不对称性现象加剧,使得弹体受到阶跃性突变力矩作用,导致其姿态角发生大幅度变化,严重影响射弹入水弹道稳定性,甚至出现入水跳弹现象.为了改善高速射弹小入水角度入水过程弹道稳定性,基于“空化器空化效应”原理提出了一种阶梯式圆柱外形射弹设计方案.通过流体体积多相流模型和动网格技术,建立超空泡射弹小角度入水数值计算方法,并通过入水试验验证了数值方法的有效性.对阶梯圆柱外形射弹与圆锥圆柱外形射弹以5°入水角的入水过程进行了数值模拟研究,得到了不同射弹外形空泡演化特性对水动力特性及弹道稳定性的影响.结果表明:阶梯圆柱外形能够加快初生空泡的发展并伴随多空泡融合现象,在0°攻角条件下,当空泡充分发展后,空泡尺寸未发生改变,在小攻角(5°)工况下,空泡对弹体的包覆面积增大,改善了射弹的升力性能;在小角度入水过程中射弹锥段空泡发展形态对入水稳定性具有重要影响,阶梯圆柱外形能够有效加快入水空泡的发展,进而形成有效抑制攻角持续增大的恢复力矩,提升了高速射弹小角度入水初期弹道稳定性.     

回转体高速倾斜入水的流场特性及结构响应

回转体高速入水过程涉及液体和固体的耦合作用，是一个复杂的非线性、非定常过程。为研究回转体高速入水的结构动响应及流场演变规律，本文中基于STAR-CCM+和ABAQUS平台，建立了回转体高速入水的双向流固耦合数值模型，开展了不同入水速度的回转体高速倾斜入水流固耦合数值计算。结果表明:数值计算的入水速度、位移曲线和空泡形态与实验结果良好吻合，验证了流固耦合方法的有效性；回转体倾斜高速入水的载荷先集中在触水部分边缘处，后集中于回转体底部中心处；流固耦合方法的入水冲击载荷峰值小于刚体的，弹性回转体的载荷曲线产生明显波动；撞水阶段，回转体空泡呈现不对称形态，随着入水加深，空泡不对称性变弱；入水速度60 m/s下，空泡发生表面闭合，回转体入水初速度越快，空泡表面闭合越晚；冲击载荷与入水速度有关，入水速度越大，峰值出现越早，震荡越明显，速度超过100 m/s时，回转体产生塑性形变。     

旋转射弹高速倾斜入水多相流场与弹道数值模拟

基于VOF多相流模型和有限体积法求解水、汽、气多相流动的RANS方程，结合重叠网格技术和six DOF算法对某一型号舰载射弹倾斜入水过程进行数值模拟研究。首先基于该方法研究了射弹旋转效应对射弹运动特性及流体动力特性的影响，然后对不同入水角下倾斜入水过程进行分析，得到不同倾角下旋转射弹入水空泡形态发展规律、弹体运动特征及流体动力特性变化规律。研究结果表明:射弹的旋转有利于弹体在初始对称面内的弹道稳定性，但会降低弹体侧向稳定性，使射弹受到的阻力系数、俯仰力矩系数变小；入水角越小，形成的空泡越不对称，由射弹运动状态的改变引起的空泡形态变化越明显，在超空泡航行阶段，弹体运动较稳定，不同角度下流体动力系数差别很小，当弹体下表面刺破空泡壁沾湿时，弹体运动状态发生较大变化，流体动力系数迅速增大，此时入水角度过小，弹体容易失稳；弹体的沾湿对空泡形态、弹体运动稳定性和流体动力特性有着重要的影响。     

带尾翼水下自然超空泡射弹数值模拟研究

基于Navier-Stokes方程,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型,PISO算法及VOF方法,利用自行开发的程序对绕三维带尾翼水下自然超空泡射弹的非定常空泡流动进行了数值模拟研究.通过计算结果得到超空泡从射弹头部初生至完全包裹弹身的形成过程.在此基础上,计算不同攻角条件下的超空泡形态,并给出射弹表面空泡厚度分布曲线,分析不同攻角对超空泡形态特性的影响规律,以及在零攻角条件下,分析尾翼对空泡形态的影响.另外计算不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度,将计算结果与实验数据进行对比,两者吻合较好.研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性问题提供理论基础.     

扩张尾裙对跨介质航行器高速入水转平弹道特性影响

扩张尾裙是影响跨介质航行器高速入水转平弹道及其稳定性的关键因素.采用流体体积多相流模型和动网格技术,建立了跨介质超空泡航行器高速入水多相流场弹道耦合计算方法,并通过试验验证了计算方法的准确性和适用性.通过对跨介质航行器高速入水转平过程进行数值模拟研究,获得尾裙外形对航行器入水转平过程中空泡发展形态、流体动力特性与弹道特性的影响,并分析尾裙扩张角度对高速入水转平弹道的影响规律.结果表明:不同预置舵角下的无尾裙外形航行器在入水转平过程中,攻角持续增大,最终导致弹道发散,带尾裙外形航行器在入水后尾裙沾湿形成了恢复力矩,获得了稳定的入水转平弹道;设计的1.5°, 6°, 8°尾裙角度的航行器形成了稳定滑水、单侧尾拍以及双侧尾拍3种弹道特征,且均能实现稳定高速入水转平弹道;稳定滑水弹道原理为预置舵角与尾裙滑水耦合作用下达到的动态平衡,该弹道综合阻力系数最小,转弯效率最高,动载荷最小,是跨介质航行器高速入水的理想弹道转平形式.     

预置舵角对高速入水弹道和流体动力的影响

为了实现导弹以反复入水方式进行末段突防,需要形成向上弯曲的弹道,考虑采用预置舵角的方法迫使弹体在超空泡流动条件下作抬头转动,依靠攻角产生的尾部滑行力提供转平所需的法向过载。本文研究了具有细长前锥段外形的超空泡导弹在高速入水时弹道和流体动力的情况。利用动网格技术控制弹体以及整个计算区域的运动,采用Mixture方法描述气-液界面的运动变化;通过流场-弹道耦合方法,分析了通气条件下,0°~30°范围内不同预置舵角下入水弹道与流体动力的变化规律。研究结果表明,预置舵角可以控制弹道转平,且预置舵角越大弹道越容易转平。     

水下高速射弹超空泡运动建模与仿真

建立并简化了水下高速射弹动力学和运动学模型。基于空泡模型假设和空泡截面独立扩张原理,确定了空化数与速度、深度的耦合计算关系;定义了水下射弹尾翼穿刺前的临界空化数;对水下高速射弹弹道特性进行了仿真研究。仿真计算结果表明：水下射弹有效射程受初始入射角影响较大;随着初始入射角的增大,有效射程逐渐减小;提升初速度可以带来有效射程的增大,但增幅效果不显著,在满足预定指标条件下应合理选择初速度;初始攻角对射弹弹道散布影响较大,初始角速度对其影响很小,但较大的初始角速度会带来明显的攻角变化。     

航行体回收垂直入水空泡流场及水动力特性研究

航行体以尾部向下姿态入水过程的研究对无动力运载体以及导弹回收等问题的解决具有重要意义. 本文采用VOF (volume offluid)多相流模型,并结合动网格技术,对航行体尾部向下姿态高速垂直入水过程展开研究.数值计算结果与实验[12]吻合度较好,验证了本文所采用数值方法的准确性与可行性.以航行体为研究对象,分析了航行体垂直入水过程中流体动力、入水空泡及流场结构的演变特性,进而讨论了入水速度对流体动力特性和入水空泡的影响规律. 研究结果表明:在航行体入水过程中主要受到压差阻力的影响,在入水冲击阶段,航行体所受阻力系数在撞击自由液面时达到最大,随着入水时间的推移,总阻力系数缓慢降低,最终趋于稳定,空泡发生溃灭时产生微小波动.在入水空泡发展的过程中,在惯性力与内外压差的共同作用下,空泡壁面会同时存在扩张与收缩两种阶段.航行体垂直入水过程中阻力系数峰值随着入水速度的增大而增大,且随着速度的增大,空泡最大直径以及空泡收缩速率增大.空泡面闭合无量纲时间以及深闭合时入水空泡夹断深度与入水深度的比值随弗劳德数变化基本不变.      

开放空腔壳体倾斜入水运动特性试验研究

基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律. 通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响. 结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.      

高速射弹超空泡流动的重力和压缩性效应

超空泡射弹是一种新型的水下高速动能武器。基于理想可压缩势流理论,考虑流体的重力效应,建立了水下细长锥形射弹超空泡流动的统一理论模型和数值计算方法,分别导出了亚、超声速条件下用于计算细长锥形射弹超空泡形态的积分-微分方程。采用二次多项式局部拟合空泡,提出了超空泡形态的数值离散和递推求解方法。通过超空泡长细比的渐近解与数值解计算结果比较,验证了所建立的理论模型和计算方法的有效性。通过分析细长锥形射弹在不同运动方式、深度、速度条件下的超空泡形态和流体动力系数计算结果,明确了流体重力和压缩性效应对超空泡尺度、射弹表面压力分布和压差阻力系数的影响。     

超空泡射弹尾拍分析与计算

对超空泡射弹进行运动学和动力学分析并数学建模,求解耦合非线性微分方程组,得到水下高速超空泡射弹运动特性。数值模拟结果表明,高速超空泡射弹在航行过程中,由于弹体头部和尾部的阻力作用,水平速度随时间迅速衰减。并且射弹的角速度呈周期性往复变化,即尾拍现象。同时由于空泡尺寸的减小导致尾拍幅度逐渐变小。射弹转动惯量越小,角速度变化幅度越平稳,相同时间内尾拍次数减少。发射深度或发射速度越大,尾拍幅度衰减越快。较大的初始角速度也会使射弹角速度很快衰减。     

自然超空泡与尾喷流相互作用的数值模拟

认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题．本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究．针对发动机欠膨胀超音速喷流，采用现有实验结果验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称流动数值模型的可靠性．尾喷流在空气和蒸汽环境中流动的数值计算结果表明，由于蒸汽环境中背压较低，欠膨胀尾喷流无法及时形成压缩波，使得蒸汽环境中尾喷流的过膨胀区和气相扩散区的体积比空气中大；尾喷流很难形成规则的激波格栅，波系结构相对简单．针对携尾喷流的平头航行体超空泡流状态的数值模拟结果表明，尾喷流注入超空泡后迅速充满航行体周围的空腔区域；尾喷流与超空泡尾迹区域形成的回射流相互作用最终导致超空泡断裂，断裂过程中伴随着燃气泡的下泄现象；受空泡壁面约束，尾喷流难以在狭窄的超空泡空腔内完全膨胀，尾喷流的激波波系结构有显著的变化：在喷嘴附近受到压缩，在远离喷嘴区域受到超空泡水汽掺混的破坏；空泡内压强基本维持在饱和蒸汽压附近，没有显著增加．     

Time-scale for critical growth of partial and supercavitation development over impulsively translating projectiles

A physical mechanism is proposed to explain an experimentally observed critical time scale that governs the partial cavity development over blunt free flying cylindrical projectiles. The projectiles were ejected using a modified gas-gun mechanism consisting of a barrel and explosive charge. Upon ignition, high-pressure gases forced a projectile down the launch barrel and into quiescent water. Results indicate that initial small cavities created at the projectile forebody are convected downstream where they subsequently grow towards the forebody, partially enveloping the projectile in a vapor cavity. The time at which the initially stable bubbles rapidly expand signifies that the partial cavity development process has begun. When this time is quantified and is non-dimensionalized appropriately, a time-scale for the critical growth (CGTS) for the cavitation is revealed. A plausible explanation of the partial cavity development process observed in these experiments is that the process is due to the interaction between small cavitation bubbles shed from the projectile forebody and the vortex ring generated by the impulsively started projectile. This interaction mediates the destabilization and spontaneous growth of small unstable bubbles resulting in the formation of partial cavitation over the projectile. An additional supercavitation formation mechanism was observed and is attributed to the launch mechanism. This process is not due to pure hydrodynamic cavitation, but rather an effect we term “gas-leakage” whereby the driving gases contaminated the aft flow field near the projectile and thus facilitated supercavitation to occur on a reduced time scale. This mechanism is equivalent to off-body ventilated supercavitation.     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

High-speed imaging of supercavitating underwater projectiles

High-speed images of supercavitating underwater projectiles traveling up to and exceeding the speed of sound in water were captured using a variety of methods. These images reveal information on projectile flight behavior, stability mechanisms, cavity shape, and in-barrel launch characteristics. This information was used to understand the physics of supercavitating bodies, verify computer models, aid failure analysis, and produce projectile launch package design modifications. In the supersonic tests, projectile shock waves were revealed. Imaging consisted of standard video, 16-mm high-speed, laser illuminated motion pictures, high-speed gated intensified video, and stroboscope illuminated 35-mm still photography. Both front-lit and shadowgraph configurations were used. Received: 25 March 1999/Accepted: 30 November 1999     

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

Hydrodynamic behavior of an underwater moving body after water entry

An experimental study was conducted to investigate the water entry phenomenon. A facility was designed to carry out the tests with the entry velocities of around 352 m/s. Visualization, pressure measurement, velocity measurement and underwater impact test were performed to investigate the hydroballistic behavior of the underwater moving body, the underwater flow field, the supercavitation, etc.. This study shows that the motion of a high-speed underwater body is strongly three-dimensional and chaotic. Furthermore, it is found that the distribution of the trajectory deflection of the underwater projectile depends on the depth of water. It is also found by measuring the deformation on a witness plate submerged in water, that the impact energy of an underwater projectile is reduced as it penetrates deeper into water. The project supported by Japan Society for the Promotion of Science under a Grant-in-Aid for Scientific Research (C) (Grant No. 12650162)     

泡沫子弹冲击固支单梁的耦合分析模型

使用泡沫金属子弹进行冲击可以模拟爆炸载荷的作用, 这一加载技术已被应用于防护结构的抗冲击性能测试中, 然而泡沫子弹作用于被测试结构上的真实载荷以及二者间的相互作用过程尚不明晰. 本文以泡沫子弹冲击固支梁的情形为例, 开展了对该冲击过程的理论分析和数值模拟研究. 基于泡沫材料的冲击波模型与固支单梁的结构冲击动力学响应模型, 构建了描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型. 给出了不同响应阶段下子弹和单梁的动力学控制方程, 并采用Runge-Kutta方法得到了方程的数值解. 基于三维Voronoi技术, 建立了泡沫子弹冲击固支单梁的有限元模型并进行了数值模拟. 通过与有限元模拟结果的对比发现, 相较于经典的脉冲加载模型, 耦合分析模型能更好地预测泡沫子弹和单梁的速度变化规律, 也能准确地预测子弹对单梁的真实冲击压强. 当泡沫子弹的初始动量相同时, 由于子弹自身的压溃行为, 子弹的初始冲击速度、密度和长度的改变都会对冲击过程产生影响. 最后, 通过耦合分析模型分别分析了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响, 并针对具有不同特征的目标模拟载荷给出了泡沫子弹的筛选策略. 所构建的耦合分析模型为研究泡沫子弹与被测试结构之间的相互作用规律以及泡沫子弹的设计提供了理论基础.