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.      

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。     

弹体高速入水特性实验研究

进行了速度在35～160 m/s的平头、卵形和截卵形弹体入水实验,利用高速相机记录了弹体入水和空泡扩展的详细过程,得到了3种弹体在入水初期的水中弹道轨迹和空泡形状,并比较分析了弹体头部形状对入水弹道稳定性的影响.结果表明,平头弹体在水中飞行有良好的弹道稳定性,截卵形弹体往往由于受力不均衡在入水后期发生偏转,卵形弹体则在...     

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

截锥体头型弹丸低速斜入水实验研究

为研究截锥体头型弹丸在低速斜入水条件下，头部直径大小对入水空泡及弹道特性的影响，基于高速摄像方法，开展不同截锥体头型弹丸低速倾斜入水对比实验，得到了截锥体头弹丸头部直径大小对入水空泡、运动速度、俯仰角的影响规律。实验结果表明:截锥体头弹丸头部直径越大，尾部越早与空泡下壁面发生碰撞；头部直径大小对空泡深闭合时间几乎没有影响；弹丸空泡随头部直径增大而增大；头部直径过大或者过小均不利于入水稳定性；弹丸速度低于临界值时呈上升趋势，高于临界值时将呈现下降趋势。     

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．     

90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性

用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程,全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程,分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律;研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程,探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明:随着入水速度的增加,空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合,每种闭合方式对应的一个速度区间;弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s;不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化;随着水深的增加空泡扩张初速增大,空泡最大直径减小,扩张段缩短,收缩段延长;同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高;水幕闭合后会产生向上和向下两股射流,向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响;近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流,并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流;空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变,弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动,进而导致空泡壁面发生波动,壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。     

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     

Passive control of cavitating flow around an axisymmetric projectile by using a trip bar

Quasi-periodical evolutions such as shedding and collapsing of unsteady cloud cavitating flow, induce strong pressure fluctuations, what may deteriorate maneuvering stability and corrode surfaces of underwater vehicles. This paper analyzed effects on cavitation stability of a trip bar arranged on high-speed underwater projectile. Small scale water tank experiment and large eddy simulation using the open source software Open FOAM were used, and the results agree well with each other. Results also indicate that trip bar can obstruct downstream re-entrant jet and pressure wave propagation caused by collapse, resulting in a relatively stable sheet cavity between trip bar and shoulder of projectiles.     

非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律研究

高速侵彻弹体的弹载部件/关键元器件的生存性与可靠性考核是引战系统研制领域的热点与难点问题，受原型试验的成本限制，利用缩比弹体搭载原型引信部件开展非等比例缩比试验研究是可行途径。针对传统等比例缩比方案无法满足弹体刚体过载相似性要求的情况，研究了非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律，提出了非等比例缩比侵彻试验设计方法。数值计算结果表明:侵彻半无限厚混凝土靶条件下，非等比例缩比弹刚体过载的脉宽、幅值均可实现与原型弹刚体过载一致的加载条件；贯穿多层薄靶的条件下，通过调节靶板布置及弹体初速等试验工况，合理设计缩比弹体结构，可使非等比例缩比试验的弹体刚体过载峰值和脉宽覆盖原型试验。通过缩比模型试验得到的刚体过载特性可以为弹体及引信部件抗过载防护设计提供可靠的参考依据。     

小口径超空泡子弹头部外形的优化设计

在水下高速运动时,小口径射弹周围的水会发生空化现象,阻力系数最优的弹头几何外形对应着射弹被空泡全包裹的超空泡状态。针对一种小口径射弹,可以利用计算流体力学（CFD）数值方法模拟含空化现象的气液两相流动,探究空泡形态和阻力系数与射弹头部几何外形的关系。选取三段锥形为基本射弹头形,采用分步优化方式对射弹头部外形进行了优化。同时,结合神经网络与序列二次规划（SQP）算法减少优化过程中的计算量,缩短了优化工作所需的总时间。优化后的射弹阻力系数比优化前的减小约30%,且能够形成包裹全弹体的超空泡。     

随机参数超空泡射弹弹道随机特性分析

超空泡射弹的发射装置及射弹在制造,安装过程中存在各种不确定性.本文采用最大熵法来分析这些不确定性对射弹弹道的影响.介绍了超空泡射弹的动力学模型,对射弹的受力特性和随机参数进行了分析.根据给出的理论编制了基于最大熵法的随机参数超空泡射弹弹道随机特性分析的仿真程序,并对一个模型弹仿真计算.计算表明,与发射装置有关的随机参数...     

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.     

高速斜入水和水平入水气炮水箱实验系统

为开展模型高速斜入水和水中高速航行的水流场实验研究,研制了立式和卧式气炮与水箱组合的实验系统。通过快速阀和活塞阀控制气炮激发和驱动状态,一级气炮采用高压空气直接驱动弹托和模型,二级气炮采用高压空气驱动重活塞压缩使集气腔中产生高压气体,再驱动弹托和模型达到预定速度。通过调节水箱和发射管角度,使高速模型斜入水或水平入水。其中,立式可变发射角二级气炮可发射质量1～1000 g的模型至2500 m/s最大速度,卧式一级气炮可发射质量1～100 kg的模型至300 m/s最大速度。和小气室、高燃气压力火药驱动方式相比,新型气炮采用大体积、中低驱动压力气室,高压气体更接近等熵膨胀做功,调节高压气体压力,能较好地满足模型质量和速度的宽范围要求。结合光反射通断法测速、高速摄影和阴影流场显示等测量技术,得到立式气炮压缩管重活塞运动速度、压缩管末端压力时间曲线和模型倾斜与水平入水的流场阴影图像。结果表明:重活塞速度在膜片破裂前和理论计算值符合较好,但破膜后差异较大。立式气炮流场阴影图像反映了模型斜入水产生的空中和水中激波以及在气水界面的反射激波、空泡形成和侧向气水界面的破碎与飞溅等现象。从卧式气炮的模型水平入水阴影图像提取气泡轮廓,清楚地看出尾部气泡气水界面的波动和失稳。和商业计算软件Fluent计算结果相比,空泡上游区域基本重合,但尾流区域强湍流导致两者存在明显差异。和水洞实验相比,气炮水箱实验系统近真实地再现高速入水过程伴随的冲击和动态空化等物理现象和模型尺度效应。     

Une technique de suivi d'interfaces pour la modélisation de la cavitation par poche

A tracking method is presented for the modeling of partial and supercavitation. The velocity and pressure fields in the cavitating flow are computed by a Navier–Stokes solver using a pseudo-compressibility method. The cavity flow is computed from the velocity field by a tracking method based on a volume of fluid technique (VOF). The method is illustrated by several computations, two cases of partial cavitation on a hydrofoil and a case of a cavitating body emerging at a free surface.     

Experimental investigation of added mass effects on a hydrofoil under cavitation conditions

The influence of leading edge sheet cavitation and supercavitation on the added mass effects experienced by a 2-D NACA0009 truncated hydrofoil has been experimentally investigated in a hydrodynamic tunnel. A non-intrusive excitation and measuring system based on piezoelectric patches mounted on the hydrofoil surface was used to determine the natural frequencies of the fluid–structure system. The appropriate hydrodynamic conditions were selected to generate a range of stable partial cavities of various sizes and also to minimize the effects of other sources of flow noise and vibrations. The main tests were performed for different sigma values under a constant flow velocity of 14 m/s and for incident angles of both 1° and 2°. Additionally, a series of experiments in which the hydrofoil was submerged in air, partially and completely submerged in still water and without cavitation at 7 and 14 m/s were also performed. The maximum added mass effect occurs with still water. When cavitation appears, the added mass decreases because the cavity length is increased, and the added mass is minimum for supercavitation. A linear correlation is found between the added mass coefficients and the entrained mass that accounts for the mean density of the cavity, its dimensions and its location relative to the specific mode shape deformation.     

通气法控制超空泡流动的实验研究

在高速水洞中运用人工通气方法进行了航行体模型超空泡形态特性的系列实验研究.获得了不同通气流量、不同空化数和不同弗鲁德数下的空泡形态,建立了以弗鲁德数为参数的空泡几何特征参数与空化数的对应关系、空化数与通气流量系数之间的对应关系.验证了空化数是决定空泡尺度的主要无因次参数,通过改变通气流量可以有效地调控空化数,进而达到控制空泡形态的目的.文中同时给出了通气流量系数的实验曲线拟合公式,并与国外的相关实验和公式进行了比较,两者基本一致.所得结论对进一步的水下超高速航行体空泡形态控制技术研究具有参考价值.     

Instrumented Projectile Penetration Testing of Granular Materials

The results of a series of penetration experiments with cylindrical projectiles (diameter: 30 mm, length: 158 mm) of different tip geometries (hemispherical, conic and flat) impacting with approx. 380 m/s on cylindrical sand targets (diameter: 250 mm, length: 1 m) are presented. The projectiles are instrumented with an on-board data recorder system with acceleration sensor (G-Rec), allowing for in-situ measurement of the decelerations experienced during the impact and during the subsequent penetration process. During and after the acceleration stage inside the gun barrel, the velocities derived from the G-Rec data show a very good agreement with an independent reference velocity measurement obtained by a light barrier system. Immediately after the initial impact on the granular material (compacted sand for this study), the sensor signals indicate very strong amplitude oscillating decelerations in the range of 50,000 to 80,000 g. The measured penetration depth varied widely for identical conditions of projectile impact, using identical preparation procedures for the sand sample. Variables considered for the experimental program included projectile tip shape, initial sand compaction state, and projectile velocity. A data reduction procedure to obtain velocity and position information of the projectile while penetrating the sand assembly is presented, taking into account a constant value (offset) observed in the raw signals of G-Rec at the end of penetration process. The formation of a false tip of agglomerated quartz powder in front of the projectile was observed in all cases. The observed shape of the false tip (penetrator tip with comminuted sand) was found to be identical for all projectile tip shapes (flat, hemispherical, and conical) considered in this study. Initial examination results of the false tip using X-ray computed tomography are presented.     

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.      

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能，采用二级轻气炮发射球形弹丸，对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究。根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征，以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律。通过固定弹丸直径，改变弹丸撞击速度，寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5~5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线，并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较，结果表明，实验最小临界弹丸直径略大于预测值。