水下航行体通气超空泡非对称性研究

超空化水下高速航行体为了满足运动平衡性和稳定性要求,需要采用非对称超空泡流动模式。为了探索满足要求的非对称超空泡流型,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡非对称性实验研究。采用通气的方法在较低水速(V=7～12m/s)下生成人工超空泡,通过分析和测量不同弗劳德数、模型攻角、空化器攻角与舵角等实验条件下的超空泡图像,获得了航行体超空泡非对称性与影响因素之间的定量和定性关系。研究表明,当组合参数F_r~2(1 σ)>50时,重力引起的超空泡变形量小于5‰;由模型攻角、空化器攻角和舵角产生的非对称超空泡流型可以满足超空化水下航行体的平衡性要求。     

细长体水下运动空化流场及弹道特性实验

为了研究细长体水下高速运动时空泡的产生、闭合及脱落特性，及影响细长体空泡形态及弹道特性的复杂因素等，初步开展了细长体模型水下高速运动的实验研究，分析了不同初始空化数下细长体模型在水中高速运动的一系列流动现象，重点研究了空泡的发展、闭合、尾部回射流和尾部脱落特性，以及轴对称细长体模型弹道特性与空泡形态变化之间的关系和转动特性随时间的变化历程等。结果表明:细长体水下高速运动时形成超空泡，空泡头部光滑透明，尾部凝结有汽水混合物且有交替脱落的含气漩涡；初始空化数对细长体的速度衰减有所影响；受初始扰动影响，细长体水下运动伴随有绕头部的转动且初始扰动影响细长体俯仰角随时间的变化历程。     

超空泡形态及其流动特性的数值模拟

对圆盘空化器分别采用CFD、"1/3法则"和空泡截面独立扩展原理三种不同方法数值模拟了水下航行体定常自然超空泡外形及其流动特性。应用CFD方法基于粘性多相流的空泡捕捉法,采用六面体网格,选择Singhal空化模型和SST湍流模式,数值求解均质超空泡流场RANS方程。研究表明:泡形态时变特性是一种行之有效的工程估算方法,应用空泡截面独立扩展原理其计算结果与CFD方法吻合较好,说明了CFD方法用于超空泡流动仿真计算的可行性和独立性原理快速估算超空泡形态的准确性;同时超空泡外形主要与头部空化器有关,空泡长度会由于航行体本身存在变长;可优先选择空泡截面独立扩展原理对水下航行体超空泡外形进行快速估算。     

基于CFD方法的超空泡航行体弹道特性研究

基于计算流体动力学软件 CFX,通过二次开发实现多相流 URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程和刚体纵向平面运动学方程的耦合求解,建立了三维超空泡航行体动力学仿真模型.研究了空化器偏角、水平尾翼偏角、航行体质心位置对弹道特性的影响.仿真结果表明:高速运动条件下无控超空泡航行体具有稳定性;空化器或水平尾翼的小角度偏转(-3°~3°)能够有效调节航行体的弹道参数,通过空化器偏转控制航行体最终稳定于空泡中心,避免航行体表面沾湿区的出现;质心位置的小幅后移有利于维持航行体水平直线航行,在超空泡航行体的设计中应予以重点考虑.     

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.     

空化器出水非定常垂直空泡的研究

对空化器朝水面高速运动产生的非定常垂直空泡进行了理论研究. 建立了受水面和重力影响下的水下垂直空泡长度变化数学方程, 从方程中导出了非定常垂直空泡长度计算公式, 利用公式计算了空化器出水后空泡从脱落、收缩到溃灭的时间. 对带空化器的航行体, 公式还可以计算脱落空泡溃灭高压作用在航行体上的位置, 最后给出了避免溃灭高压作用在航行体上的条件和判据.     

超空泡横截面独立膨胀原理解析及其应用

应用能量守恒定律阐释了空泡横截面独立膨胀原理,推导了空泡横截面面积与水中运动物体的相对速度及空化数之间的关系式,对Logvinovich给出的公式作了进一步的完善和扩充,并在此基础上研究了若干种非定常条件下,圆盘后部有限轴对称超空泡长度和形态的非定常变化过程,通过数值算例说明了方法的可行性。本文结论可为水中超空泡航行体的设计提供理论参考,对相关数值计算有重要理论指导意义。     

空化器参数对超空泡形成和发展的影响

为了探索超空泡的生成机理和形态变化规律，依据其产生方式，进行了自然超 空泡高速射弹试验和通气超空泡水洞试验研究. 分析了超空泡的生成过程和空化器参数对形 成超空泡的临界空化数和通气系数门限值的影响. 研究了超空泡形态尺寸变化的特性，空化 器直径和线型对自然和通气超空泡的形态尺寸有相类似的影响规律：超空泡尺寸随着空化器 直径的增加而增加；在相同条件下，钝头空化器要比圆锥形空化器更容易形成超空泡；相对 较小的直径空化器很难形成透明的通气超空泡，其主要原因是自然空化数没有降到足够低. 此外，研究表明空化器直径对通气超空泡的细长比的影响较大，这与对自然超空泡形态的影 响不相同. 最后，对空化器的未来研究发展进行了展望.     

超空泡航行体转弯运动流体动力特性的数值研究

基于有限体积法,采用两流体多相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,建立了用于求解超空泡航行体转弯运动过程中的三维数值模型,研究了转弯运动条件下通气空泡的形态特征及超空泡航行体的流体动力特性。计算结果表明:在转弯运动过程中空泡产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道基本重合;由于空泡的弯曲变形航行体两侧表面呈现非对称沾湿,利用空化器横向偏转能够避免沾湿区的出现,而且对航行体水平面流体动力有良好的控制作用。     

水下航行体通气超空泡形态实验研究

在水洞中对航行体模型的通气超空泡形态及其影响因素进行了系列实验研究。在低速的情况下通过向空化器下游通入空气生成了超空泡。通过改变水洞速度、压力，通气参数，模型外形和状态产生了多种超空泡外形并研究了超空泡外形与空化器、空化数和通气参数之间的关系以及影响超空泡形状的因素，得出了有益的结论。对于下一步的研究工作具有指导意义，对于航行体超空泡外形控制技术的研究具有重要参考价值。     

同轴旋转可压缩流动中液体射流稳定性

基于线性稳定性理论,建立了描述同轴旋转可压缩流动中超空化条件下液体射流稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证;在此基础上,对模型中考虑的射流及气体可压缩性、气体同轴旋转以及超空化等因素对射流稳定性的影响进行了分析. 分析结果表明,模型中考虑射流及气体的可压缩性后,与不考虑可压缩性相比,计算得到的射流稳定性明显变差,最小液滴直径减小,分裂液滴直径变化范围变宽,且小液滴数量增多. 气体的同轴旋转在轴对称与非轴对称扰动下对射流稳定性的影响完全相反;轴对称扰动时,气体旋转使射流稳定性增强,而非轴对称扰动时则正好相反;气体旋转有可能导致影响射流稳定性的扰动模式发生根本性变化. 超空化使射流稳定性变差;超空化程度较弱时,超空化使分裂液滴最小直径减小,分裂液滴直径变化范围增大;而超空化达到一定程度后,进一步提高超空化程度,分裂液滴最小直径几乎保持不变.     

超空化条件下液体射流热稳定性研究

基于线性稳定性理论,建立了描述超空化条件下液体射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证;在此基础上,对超空化条件下液体射流与周围气体间的温差对射流稳定性的影响进行了研究。研究结果表明,液体射流与周围气体间存在温差时,射流稳定性变差,扰动波波数范围拓宽,且拓宽的程度随温差的增加有明显加大的趋势;温度扰动对射流稳定性的影响与扰动模式关系不大;温度扰动会在一定程度上削弱超空化对射流稳定性的作用,并有可能完全抑制超空化对扰动波最大波数的作用,只有当超空化达到一定程度后,才能克服温度扰动的抑制作用,使扰动波最大波数变大。     

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．     

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.      

可压缩旋转气体中超空化射流的热稳定性

液体射流热稳定性研究是对射流稳定性问题的更深层次的探讨,可以进一步加深对液体射流分裂与雾化机理的认识,具有重要的学术意义和工程应用价值. 基于射流稳定性理论,在同时考虑射流周围气体旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述可压缩旋转气体中超空化射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证分析;在此基础上,分析了液体射流表面与周围气体间温差及射流内部温度梯度同时作用下对射流稳定性的影响;并进一步探讨了超空化射流的热稳定性. 结果表明,射流表面扰动波的最大扰动增长率、最不稳定频率以及最大扰动波数皆随气液温差的增大呈近似线性增大趋势;射流内部温度梯度的存在使得气液温差对射流的失稳作用更加显著;射流内部温度梯度会抑制超空化对射流稳定性的影响,但气液温差会在一定程度上促进超空化对射流的失稳作用.      

火箭橇水刹车高速入水冲击数值模拟

针对目前对火箭橇水刹车高速撞水研究的不足,采用流固耦合方法进行了数值研究,得到了超空 泡、水隆起、溅水、水压力等水形态,获得了水刹车的速度、加速度和阻力系数随时间的变化曲线。研究表明: 水刹车刀片和侧板头部形成的超空泡对水阻力影响最大、水隆起影响次之、溅水则基本无影响,水刹车阶梯式 入水结构可以有效降低入水冲击力峰值。所采用的方法为火箭橇水刹车设计提供了依据,可为其他相关物体 高速入水问题研究提供参考。     

岩石类介质侵彻效应的理论研究进展

近年来，随着超高速武器的发展，侵彻效应的研究重点逐渐由高速向超高速发展。随着弹体打击速度提高，侵彻机制发生变化，并触发强烈的成坑和地冲击效应。本文综述了大速度范围内岩石类介质侵彻效应的理论研究进展，讨论了长杆弹侵彻速度的分区，介绍了岩石类介质的侵彻、成坑、地冲击效应的理论模型，并对目前研究中尚有待解决的问题和下一步的研究方向进行了展望。     

通气超空泡形态控制方法的数值模拟

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态控制进行了数值仿真.研究表明:调整流场压力、模型速度、空化器阻力系数对超空泡长度的控制范围较大,响应速度较快;调整通气量对超空泡长度控制范围较小,响应速度较慢;此外改变超空泡内部模型的尺度和结构也可以对通气超空泡形态进行控制.     

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...