药型罩锥角对射孔枪射流冲击过程的影响

采用ALE方法对射孔弹射流形成的过程及聚能射流对混凝土靶板的侵彻进行了数值模拟,对比了锥形药型罩的不同锥角对聚能射流形成和侵彻的影响.研究结果表明药型罩的锥角大小对聚能射流的速度和形状、射流头部和杵体的质量、侵彻的宽度和深度有着明显显著的影响.小锥角射流头部比重较小且杵体速度未达到侵彻临界值而无法起到很好的侵彻效果,大...     

大锥角聚能装药射流形成及对多层靶侵彻的数值模拟研究

运用改进的网格线示踪点法MOCL(MarkOnCellLine)二维多流体欧拉程序 ,对大锥角聚能装药射流的形成及侵彻多层金属靶的全过程进行了数值模拟研究 ,计算结果与试验结果较吻合。这种连贯性的模拟能力避免了数值计算中对射流的许多人为假定。计算和试验结果表明 ,该聚能装药所形成的射流质量约占整个药型罩质量的 32 % ,兼有聚能射流和爆炸成型弹丸的特点 ,更适合于穿透多层大间隔金属靶。     

爆轰波波形与药型罩结构匹配对杆式射流成形的影响

为提高杆式射流对钢靶的侵彻能力,设计了一种偏心亚半球药型罩,通过爆轰波碰撞理论推导出药型罩压垮速度,并结合改进的PER理论建立了杆式射流成形的模型。分析了药型罩结构参数对爆轰波碰撞压力的影响规律,获得了等质量变壁厚药型罩射流质量及速度分布的变化规律。结果表明:马赫反射压力随偏心距的增大而增大,随外壁曲率半径的增大而减小,而正规斜反射压力与马赫反射压力变化规律相反,且马赫反射压力受药型罩结构影响较大;通过对比不同方案,罩顶与罩口部厚、中间薄形状药型罩形成的射流质量提高了29.5%,头部速度提高了21.3%,且速度梯度最大,相同炸高条件下侵彻深度提高了约2倍装药直径。针对优化结构进行了数值模拟和实验验证,通过对爆轰波波形与药型罩结构合理的匹配设计,使形成的杆式射流成形及侵彻性能得到显著提升。     

陶瓷靶抗射流侵彻的理论模型及数值模拟

以球型空腔膨胀理论为基础,提出了一个计算陶瓷靶板阻力的损伤模型,该模型考虑了损伤因子对陶瓷靶板弹道性能的影响.结合不可压缩流体力学理论,对射流侵彻陶瓷靶板的侵彻速度进行了理论值计算,并与未考虑损伤的侵彻速度进行了比较,该模型的计算结果更接近实验结果.建立了射流侵彻陶瓷靶板的数值计算模型,对铜射流侵彻陶瓷靶的动态破坏过程进行了研究,讨论了药型罩的锥角、壁厚对射流侵彻结果的影响,结果表明:相同锥角的药型罩,壁厚对陶瓷靶板孔径的影响较小;同壁厚的药型罩,随着锥角的增大,侵彻孔径增大.侵彻速度的数值模拟结果与理论结果进行了比较,得到了较好的一致性.     

高熵合金药型罩射流成型与稳定性

近年迅速兴起的多主元高熵合金因其具有很宽的成分-性能调控范围及一系列优异力学性能, 有望替代紫铜成为新一代药型罩材料. 本文基于CrMnFeCoNi五元高熵合金动态力学性能实验和数值模拟, 探索该合金用作药型罩的适用性. 基于分离式霍普金森拉杆和材料试验机研究了高熵合金不同应变率及温度下的力学行为, 获得了高熵合金Johnson-Cook热黏塑性动态本构. 利用流动速度与临界压垮角关系对凝聚性高熵合金射流形成边界进行界定. 结合数值模拟验证了高熵合金射流形成边界的合理性, 并进一步揭示了射流高速拉伸断裂演化规律. 研究表明: 射流断裂时间与材料强度成负相关, 材料动态强度增大, 将会引起射流断裂时间下降. 本工作可为新型高熵合金药型罩结构设计提供参考.      

聚能射流形成数值模拟

基于网格自适应方法,ALE方法和SPH方法模拟了聚能射流形成过程.分析了射流头部速度随时间的变化关系,初始时刻位于药形罩不同位置的金属形成射流后的速度分布情况以及射流形成后沿射流方向射流整体速度分布情况.对比了三种方法用于模拟聚能射流形成问题的特点以及与实验的近似程度.数值模拟结果与射流形成过程与机理一致,可以体现射流形成特点,且SPH方法计算结果与实验数据最为接近.     

侵彻岩石的成形装药设计与试验研究

开展了针对侵彻岩石要求的成形装药设计和试验研究。在数值模拟的基础上,设计了紫铜和铝材曲面变厚度药型罩的成形装药。采用闪光X光测试了紫铜药型罩成形装药的射流形状和速度,在不同硬度的天然岩石上进行了侵彻试验,取得了良好的侵彻效果。     

带尾翼的翻转型爆炸成形弹丸的三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元程序对三点起爆的翻转型EFP形成过程及三个尾翼进行了数值模拟。计算结果与实验结果的比较表明:数值计算结果和实验结果吻合较好,可为弹丸优化设计提供重要参考依据。对药型罩材料分别选择Johnson-Cook和Steinberg两种本构模型进行了数值模拟。计算结果表明:药型罩材料的本构模型选取对形成的尾翼效果有一定影响,Steinberg本构模型与实验结果符合更好。     

聚能射流水中侵彻行为的实验研究

对三种不同药型罩形成的射流在水中的侵彻行为进行了实验研究,采用电铜箔测速法及高速摄影法分别获取了聚能射流在水中的行进过程及图像。实验结果表明,水体的边界效应及聚能射流在水中的开坑行为对电铜箔的测量结果影响很大,且聚能射流的准定常侵彻行为在平均速度的变化上表现明显,在准定常侵彻阶段,聚能射流的速度可近似为线性递减,且药型罩构型对射流速度的衰减率影响较大,药型罩材料的影响较小。光测结果给出了聚能射流在水中的运动图像,且据此计算出的射流速度与电测结果吻合较好。     

SPH方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用

采用有限元软件LS-DYNA中的SPH算法实现聚能装药射流形成过程的三维数值模拟.将SPH方法和FEM方法与理论计算结果相比较.研究结果表明:SPH数值模拟计算过程十分稳定,避免了有限元数值模拟过程中的网格扭曲、缠绕和物质穿透等问题,而且计算精度比有限元方法更高;采用SPH方法计算的射流速度、射流长度与有限元计算结果和...     

聚能炸药逆向环形起爆形成高速射流研究

设计了一种长径比为 0 .375 ,罩锥角为 12 0的大锥角小长径比聚能装药。利用闪光X射线摄影技术观察了小长径比聚能装药正向起爆时形成的射流图象以及逆向起爆时药型罩的压垮图象和射流图象。给出了形成射流的头部速度、射流的质量分布等射流特性参数。试验的聚能装药逆向起爆时射流头部速度为 7.48km/s,而正向起爆时仅为 4.34km/s。试验研究表明通过逆向环形起爆 ,小长径比聚能装药获得高速射流是可行的。     

瞬态空化泡演变过程的数值模拟

采用边界积分方程方法，对无粘流体中三个空化泡以及自由面附近二个空化泡相互作用的演变过程进行了数值模拟。计算中边界用二阶有限元离散，影响系数矩阵非对角线元素用六点高斯数值积分方法计算，对第一类、第二类完全椭圆积分用高次多项式近似，对计算系数矩阵对角线元素中遇到的奇异积分进行了特殊处理。结果表明，在不同的给定参数下，空化泡的溃灭形态各异，柱状射流和环形射流都有可能发生，使空化泡演变成双泡或环形泡。     

Thermal softening of metallic shaped-charge jets formed by the collapse of shaped-charge liners in the presence of a magnetic field

This paper presents an analysis of the possibility of increasing the ultimate stretching and penetration capability of metallic shaped-charge jets in the presence of an axial magnetic field in the shaped-charge liner due to heating and thermal softening of the jet material as a result of a sharp increase in the magnetic-field induction in the jet formation region upon liner collapse. This process is studied by numerical simulation in a quasi-two-dimensional formulation taking into account the inertial stretching of the conductive rigid-plastic rod in the presence of a longitudinal magnetic field in it.     

单液滴内空化气泡的生长及溃灭研究

超空化燃油射流使得喷雾中部分燃油分裂液滴内含有空化气泡;空化气泡的生长及溃灭对液滴的分裂与雾化具有重要影响. 基于VOF 方法首次对超空化条件下燃油液滴内空化气泡的生长及溃灭过程进行了数值模拟. 通过研究发现,单液滴内空化气泡的生长过程可以按控制机理划分为表面张力控制阶段、综合竞争阶段和惯性力控制阶段;在第I 阶段,空泡的生长主要受表面张力的控制作用,惯性力对空泡生长的促进作用及黏性力对空泡生长的抑制作用可以忽略;在第II 阶段,空泡的生长受表面张力、惯性力及黏性力三者的综合作用,空泡的生长速率是促进空泡生长的惯性力和抑制空泡生长的表面张力及黏性力相互竞争、共同作用的结果;在第III 阶段,空泡的生长主要受惯性力的控制作用,抑制空泡生长的表面张力及黏性力的作用基本可以忽略. 单液滴内空化气泡的溃灭过程由多个溃灭阶段和反弹阶段构成,类似于有阻尼弹簧振子的振动过程;根据每个溃灭周期结束时空泡半径随时间的变化历程,可以将空泡的溃灭分为快速溃灭期、缓慢溃灭期以及稳定期;溃灭初期空泡溃灭压力的变化非常剧烈,但空泡溃灭体积的变化则要相对平缓得多;空泡反弹压力随时间的变化与空泡反弹体积随时间的变化基本对应.      

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．     

Generation of internal waves by a turbulent jet in a stratified fluid

The process of generation of internal waves by an initially cylindrical, turbulent jet with a Gaussian profile of the average horizontal velocity component in a fluid with stable linear density stratification is investigated by direct numerical simulation. It is shown that on time intervals Nt < 30, where N is the buoyancy frequency, the vertical velocity pulsations collapse, which is accompanied by the generation of internal waves whose spatial period is close to the wavelength of the spiral mode of jet instability in a homogeneous fluid. The wave dynamics and kinematics can be satisfactorily described by the linear theory for a pulsed source and their parameters are in good agreement with the parameters of the “coherent” internal waves generated by a stratified wake in a laboratory experiment. At large times the wave generation ceases and the variations of the fluid density are localized in the neighborhood of the centers of large-scale vortices formed in the horizontal plane in the neighborhood of the jet.     

水下爆炸气泡射流载荷计算的新方法研究

由于存在强冲击、多相界面复杂运动等强非线性效应,目前对于水下爆炸气泡运动的计算方法无法给出较为可信的水射流运动特征及其载荷形式.本文基于多相可压缩流体的five-equation计算模型,引入界面函数和界面密度压缩技术,采用5阶WENO重构与HLLC近似Riemann求解器进行空间离散,时间离散采用3阶TVD Runge-Kutta法.通过上述方法来提高水下爆炸气泡溃灭过程中气-液界面的计算精度,捕捉水射流的产生、发展以及水锤冲击等典型演化过程.计算结果表明,新的计算方法能够对水下近壁面爆炸气泡的溃灭过程进行有效的模拟,初步揭示了水射流直接载荷的特征,为水射流的产生机理及其损伤效应的研究提供技术支撑.     

Single cavitation bubble generation and observation of the bubble collapse flow induced by a pressure wave

This study utilizes a U-shape platform device to generate a single cavitation bubble for a detailed analysis of the flow field characteristics and the cause of the counter jet during the process of bubble collapse caused by sending a pressure wave. A high speed camera is used to record the flow field of the bubble collapse at different distances from a solid boundary. It is found that a Kelvin–Helmholtz vortex is formed when a liquid jet penetrates the bubble surface after the bubble is compressed and deformed. If the bubble center to the solid boundary is within one to three times the bubble’s radius, a stagnation ring will form on the boundary when impinged by the liquid jet. The fluid inside the stagnation ring will be squeezed toward the center of the ring to form a counter jet after the bubble collapses. At the critical position, where the bubble center from the solid boundary is about three times the bubble’s radius, the bubble collapse flow will vary. Depending on the strengths of the pressure waves applied, the collapse can produce a Kelvin–Helmholtz vortex, the Richtmyer–Meshkov instability, or the generation of a counter jet flow. If the bubble surface is in contact with the solid boundary, the liquid jet can only move inside-out without producing the stagnation ring and the counter jet; thus, the bubble collapses along the radial direction. The complex phenomenon of cavitation bubble collapse flows is clearly manifested in this study.     

Jet formation and penetration mechanism of W typed shaped charge

Existing classical shaped charges are well known for their longer jets capable of achieving large hole depth to hole diameter ratios in metallic targets. However, in some situations, there arises demand to obtain 1：1 ratio for hole depth to hole diameter which is beyond normal shaped charges capability. A new variant of shape charge, named W typed shape charge （WSC）, is proposed in this paper, which can meet the demand of 1：1 ratio, and is based on the geometry that can produce annular jets upon proper initiation scheme. In this paper, we present formation and penetration results of WSC based on three different schemes. We also show that not all WSC designs can form annular jets, only annularly initiated WSC, which also fulfils the ＂Internal-External Liners Equal-Impulse＂ criterion, has the capability to form annular jet. The experimental and numerical results show that when the ratio between annular initiation ring diameter and the charge diameter is 0.75, an annular jet is formed, which was also supported by high speed photographs performed in vacuum. 2D numerical simulations are performed with indigenously developed simulation software, where Eulerian approach with multi-material interface tracking algorithm is utilized, to find various mechanisms involved during jet formation process. The calculation results are found in good agreement with the experimental results, indicating that the interface treatment algorithm proposed in this paper can not only deal with large deformation problem, but also depict clearly the variation of materials interface. It is especially suitable for simulation of the process from liner collapse to formation of shaped charge jet.