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.      

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。     

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。     

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.     

水下超声速细长锥型射弹超空泡形态的计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于细长体理论和匹配渐近展开法,建立了描述水下超声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程.求解得到了考虑压缩性影响的超空泡形态二阶近似解,改进了超空泡形态的计算精度.分析了超声速射弹高速冲击条件下流体压缩性对超空泡形态的影响.流体压...     

水下亚声速细长锥型射弹超空泡形态的计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于细长体理论和匹配渐近展开法,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。求解得到了考虑压缩性影响的超空泡形态1阶和2阶近似解,改进了超空泡形态的计算精度。分析了射弹高速冲击条件下流体压缩性对超空泡形态的影响,随着马赫数的增加,超空泡形态将发生更加显著的膨胀变化。计算得到的超空泡特征参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。     

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。     

水下亚声速细长锥型射弹超空泡流的数值计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于水动力学势流理论及细长体理论,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。发展了求解该方程的数值离散方法,提出多种超空泡外形初始解,分析了它们对超空泡形态计算结果的影响,优化了计算过程,简化了初始迭代条件。分析了流体压缩性对超空泡流动参数的影响,当马赫数大于0.3时,超空泡外形、射弹表面压力系数及射弹运动压差阻力系数均明显增大。计算得到的超空泡流动参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。     

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。     

基于耗能模型的超空泡射弹水下侵彻鱼雷等效关系研究

超空泡射弹是水下防御技术的研究热点之一。水下毁伤试验费用大,成本高,陆上等效试验是一种可能的替代方案。为此需要获得水下超空泡射弹侵彻条件下目标与相关材料的等效关系。以MK48-5鱼雷为对象,构建由壳体和14个关键部件组成的典型鱼雷结构模型。考虑水介质对侵彻的影响,将水下超空泡射弹侵彻鱼雷的过程分为两个阶段（a. 射弹侵彻水介质和鱼雷壳体,b. 射弹侵彻鱼雷内部关键部件）;建立水介质耗能模型和靶板耗能模型;依据极限穿透速度等效原则和能量等效原则,分别得出两个阶段目标和等效靶之间的靶板厚度关系;为了获得射弹垂直命中鱼雷不同方向及不同工况毁伤效果,需要对纵向侵彻全雷和横向侵彻鱼雷战雷段、控制段、燃料舱和后舱雷尾4个典型舱段分别进行研究;并基于此建立了水下侵彻和不同工况条件下射弹侵彻鱼雷的多层等效靶模型。     

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。     

Prediction of asymmetric vortical flows around slender bodies using Navier-Stokes equations

Steady and unsteady asymmetric vortical flows around slender bodies at high angles of attack are solved using the unsteady, compressible, this-layer Navier-Stokes equations. An implicit, upwind-biased, flux-difference splitting, finite-volume scheme is used for the numerical computations. For supersonic flows past point cones, the locally conical flow assumption has been used for efficient computational studies of this phenomenon. Asymmetric flows past a 5° semiapex-angle circular cone at different angles of attack, free-stream Mach numbers, and Reynolds numbers has been studied in responses to different sources of disturbances. The effects of grid fineness and computational domain size have also been investigated. Next, the responses of three-dimensional supersonic asymmetric flow around a 5° circular cone at different angles of attack and Reynolds numbers to short-duration sideslip disturbances are presented. The results show that flow asymmetry becomes stronger as the Reynolds number and angles of attack are increased. The asymmetric solutions show spatial vortex shedding which is qualitatively similar to the temporal vortex shedding of the unsteady locally conical flow. A cylindrical afterbody is also added to the same cone to study the effect of a cylindrical part on the flow asymmetry. One of the cases of flow over a cone-cylinder configuration is validated fairly well by experimental data.     

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.     

考虑靶背自由表面和开裂影响的刚性尖头弹贯穿金属靶板模型

将靶体视为不可压缩材料,假定空腔膨胀产生塑性-弹性响应分区,构造了靶背自由表面效应的衰减函数。将衰减函数乘以可压缩幂次硬化材料的阻力方程,得到了弹体贯穿金属靶板的阻力函数。基于弹性衰减-塑性衰减-开裂3个阶段,建立了同时考虑靶体可压缩性、靶背自由表面和开裂影响的弹体贯穿有限厚金属靶板的分析模型,推导得出了弹体瞬时速度的解析方程,并采用数值方法计算得到了弹体的过载、瞬时速度和残余速度。通过与6组实验数据和已有模型的对比得到,当靶板厚度和弹体冲击速度在一定范围内时,需要考虑自由表面效应的影响。