细长体高速入水过程压力特性试验研究

为了研究高速入水过程物体表面压力特性,对细长体高速入水过程进行了试验研究。试验在水池中开展,采用高速摄影的方法观察入水过程空泡形态演化规律,采用压力传感器测量物体表面压力,获得了细长体高速入水过程中空泡形态和表面压力变化规律。试验结果表明:在高速入水过程中,随着入水深度增加,泡内压力先降低后升高之后再次降低,压力升高主要是因为空泡闭合泡内气体受到压缩,之后降低则是因为闭合空泡泄气等原因;细长体尾部在入水过程中,上方始终处于空泡内,压力与稳定空泡内压力变化一致,下方在触水瞬间会产生一压力高峰;同时,随着速度增大,入水过程空泡内压力降低最大,空泡内部压强最低值随着速度的增加呈线性减小趋势。     

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 of fluid)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.     

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.      

水陆两栖飞机典型横截面入水撞击实验研究

选取当今世界几种水陆两栖飞机典型横截面为研究对象,通过进行不同投放高度和不同质量的楔形体入水冲击实验,动态测量楔形体入水冲击过程中的压力并记录自由液面变化情况,研究了不同实验件的自由液面变化、冲击压力随时间变化及局部压力分布规律等。通过对比分析,发现带舭弯的弧形横截面型式有利于降低水陆两栖飞机在复杂海况下的着水冲击载荷,可作为水陆两栖飞机设计的参考线型。     

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.     

航行体梯度密度式头帽结构设计及降载性能分析

针对航行体在以大于100 m/s的速度高速入水过程中承受巨大的冲击载荷可能导致的结构损坏、弹道失控等现象, 而现有的缓冲措施降载能力有限的难题, 本文设计了一种航行体高速入水梯度密度式缓冲头帽, 确保航行体能够高速安全入水, 并给出了详细的设计过程. 同时基于ALE (arbitrary Lagrangian-Eulerian)算法建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值计算模型, 且数值计算的结果与试验测试数据具有较好的一致性. 然后在此基础上, 开展了航行体带梯度密度式缓冲头帽高速入水降载特性的数值研究, 探究了双层缓冲件不同分层厚度、正负密度梯度排列以及层间密度差等重要参数对缓冲头帽能量吸收以及缓冲降载效果的影响规律, 并进行了大尺度模型高速入水冲击测试试验, 根据航行体模型干模态分析时的二阶弯曲模态固有频率对试验数据进行滤波处理. 研究结果表明, 在本文所研究的范围内, 分层的缓冲件相比较于不分层的缓冲件表现出更强的冲击能量吸收效果, 且缓冲件吸收的冲击能量随着分层数的增加而增加; 负密度梯度排列的缓冲件其缓冲能力强于正密度梯度的缓冲件; 当层间密度差越大时, 冲击能量的损耗也将越大, 缓冲头帽的降载效果越好.      

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.     

航行体开槽包裹式缓冲头帽结构设计及其降载性能

针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷,可能导致的结构损坏、弹道失控等问题,提出了一种开槽包裹式缓冲头帽,用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先,给出了缓冲头帽的详细设计参数,基于任意拉格朗日-欧拉算法,建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型,并对该数值模型的正确性进行了验证。然后,在此基础上,研究了不同入水角度下,空泡流场的演变过程,分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后,探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明,数值计算所得空泡形态与实验图像基本吻合,且数值计算和实验测试所得的冲击加速度变化趋势基本一致,两者轴向加速度峰值相对误差为6.72%,径向加速度峰值相对误差为7.52%。航行体装备所设计的缓冲头帽以300 m/s的速度垂直入水时轴向降载率为22.17%;以100 m/s的速度60°入水时,轴向降载率为31.83%,径向降载率为66.80%。     

细长体倾斜出水的实验研究

为了获得细长体倾斜出水空泡生成、发展及溃灭过程,基于高速摄像系统对细长体小倾角倾斜出水过程进行了实验研究。通过对比细长体垂直及倾斜带泡出水过程,分析了倾斜出水过程中体现出的新特征及其影响因素。在此基础上,对不同初始倾角及细长体头型对出水轨迹及姿态的影响规律进行了实验研究:细长体姿态及轨迹变化与其初始倾角并非线性相关,与肩空泡的闭合位置密切相关;细长体头型变钝,其水下运动过程稳定性增加。     

细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究

固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在,其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注.本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性.实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究.文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2,其长短轴比范围为2～10,相应的阿基米德数范围为400～1400,对应实现的终态雷诺数范围为120～1350.实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径,分别为:小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动,并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律.进一步地,分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系.随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性,并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响.最后,通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果,获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.     

Underwater acoustics and cavitating flow of water entry

The fluid mechanics of water entry is studied through investigating the underwater acoustics and the supercavitation. Underwater acoustic signals in water entry are extensively measured at about 30 different positions by using a PVDF needle hydrophone. From the measurements we obtain (1) the primary shock wave caused by the impact of the blunt body on free surface; (2) the vapor pressure inside the cavity; (3) the secondary shock wave caused by pulling away of the cavity from free surface; and so on. The supercavitation induced by the blunt body is observed by using a digital high-speed video camera as well as the single shot photography. The periodic and 3 dimensional motion of the supercavitation is revealed. The experiment is carried out at room temperature. The project supported by the “BaiRen Plan” of Chinese Academy of Sciences     

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.      

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)     

钝体倾斜和垂直冲击入水时引起的超空泡流动特性实验研究

对4种不同头型的钝体、以不同初始速度在小倾斜角度和垂直状态下入水,所产生的空泡流进行了的实验观察,分析了不同工况下空泡产生和发展的特性。实验结果表明:对于倾斜入水及垂直入水,圆台头和平头(即空化器均为圆盘)实验体均能形成较稳定的入水弹道;初始入水速度较低时,空泡的闭合方式为深闭合;初始入水速度较高时,空泡的闭合方式为表面闭合,且运动速度衰减得更快。测量得知,钝体倾斜入水产生的空泡的前部外形轮廓与Logvinovich的半经验公式给出的结果相吻合。在垂直入水的情况下,调查了物体头部对空泡的起始点位置及其形态的影响。     

Experimental investigation of side force control on cone-cylinder slender bodies with flexible micro balloon actuators

Side forces on slender bodies of revolution at medium to high angles of attack (AOA > 30°) has been known from a large number of investigations. Asymmetric vortex pairs over a slender body are believed to be the principle cause of the side forces. Under some flight conditions, this side force may be as large as the normal force acting on the slender body. In this paper, experimental results are presented for side force control on a cone-cylinder slender body by using microfabricated balloon actuators. The micro balloon actuators are made of polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer by using micro molding techniques. They can be packaged on curve surfaces of a cone-cylinder slender body. As actuator is actuated, the micro balloon actuator inflates about 1.2 mm vertically, which is about 2.4% of the cylinder diameter D (=50 mm) of the cone-cylinder slender body. Micro balloon actuators are actuated at different roll angles of a cone-cylinder slender body. Aerodynamic force measurement results indicate the effects of micro balloon actuators vary at different actuation locations on the cone-cylinder slender body. The side forces can be significantly reduced if the actuators are actuated in the weak vortex side (the side corresponding to the asymmetric vortex which is far from the surface) and actuation angles are located at about 50–60° (the actuation angle here is measured from stagnation line of the incidence plane toward weak vortex side direction). Significant changes are noticed from the surface pressure, as well as leeside vortex flow field, measurement. Micro balloon actuators change nose shapes of the slender body which decide adverse-pressure-gradient values and directly influence the origin of the separation lines and characteristics of the separated vortices over the leeside surface.     

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.     

平头物体三维带空泡入水的数值模拟

本文用时间步进法和边界积分方程方法数值求解平头物体的垂直及斜向入水过程,这是一个在非线性自由面条件下,物体与流体有耦合作用,三维、非定常、理想不可压流体的运动问题,自由面用Lagrangian参数描述,物面用固结在物体上的Eulerian坐标描述,数值计算上提出了物面动力学条件(流-固耦合运动方程)和自由面动力学条件的二阶精度的时间差分隐格式,最后给出若干入水情况的详细计算结果。     

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。     

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。     

Analysis of slender bodies of revolution with curved-ground effect and waving-water effect

The classical slender body theory is generalized to the problems of a slender body of revolution moving with an angle of attack, in very close proximity to curved-ground and waving-water surfaces. The flow problems are reduced to the two-dimensional flow problem of double, circular cylinders, which is then solved by the method of complex variables and Fourier series. The attractive force and pitching moment, and the lateral force and yawing moment acting on the body are derived in terms of integrals over the body length. For a horizontal translation of the body near the curved ground, the attractive force will increase as the body is brought closer to the ground or as the absolute value of the angle of attack increases, and a convex (concave) ground will strengthen (weaken) the ground effect. However, for a horizontal translation of the body near a waving-water surface, the periodic attractive force is nearly in phase with the wave height beneath the body's centre, and its amplitude increases with the relative velocity between the body and the water wave motion.