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.     

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.      

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.     

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。     

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。     

超空泡射弹尾拍分析与计算

对超空泡射弹进行运动学和动力学分析并数学建模,求解耦合非线性微分方程组,得到水下高速超空泡射弹运动特性。数值模拟结果表明,高速超空泡射弹在航行过程中,由于弹体头部和尾部的阻力作用,水平速度随时间迅速衰减。并且射弹的角速度呈周期性往复变化,即尾拍现象。同时由于空泡尺寸的减小导致尾拍幅度逐渐变小。射弹转动惯量越小,角速度变化幅度越平稳,相同时间内尾拍次数减少。发射深度或发射速度越大,尾拍幅度衰减越快。较大的初始角速度也会使射弹角速度很快衰减。     

攻角和入射角对弹体侵彻混凝土薄靶弹道特性影响规律研究

为了研究弹体斜侵彻有限厚混凝土靶板的作用特性,开展了尖卵形弹体斜侵彻间隔混凝土靶实验,获得了弹体侵彻过程中的姿态及弹道特性、靶板破坏参数,分析了攻角与入射角联合作用对弹体侵彻混凝土靶板“二次偏转现象”、靶后偏转角以及弹体侵彻间隔靶板弹道轨迹的影响规律。研究结果表明:入射角越大,“二次偏转现象”越明显,弹体靶后偏转角越大;初始攻角抑制“二次偏转现象”,攻角越大,抑制作用越显著;初始攻角与入射角方向相同时,初始攻角加剧靶后偏转角的增大;当攻角与入射角方向相反时,较小的攻角能够抑制弹体靶后偏转角的增大,而当初始攻角较大时,攻角成为影响弹体偏转的主要因素,攻角越大,弹体靶后偏转角越大。     

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...     

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。     

开放空腔壳体倾斜入水运动特性试验研究

基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律. 通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响. 结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.      

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.     

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...     

Numerical simulation of multiphase cavitating flows around an underwater projectile

The present simulation investigates the multiphase cavitating flow around an underwater projectile. Based on the Homogeneous Equilibrium Flow assumption, a mixture model is applied to simulate the multiphase cavitating flow including ventilated cavitation caused by air injection as well as natural cavitation that forms in a region where the pressure of liquid falls below its vapor pressure. The transport equation cavitating model is applied. The calculations are executed based on a suite of CFD code. The hydrodynamics characteristics of flow field under the interaction of natural cavitation and ventilated cavitation is analyzed. The results indicate that the ventilated cavitation number is under a combined effect of the natural cavitation number and gas flow rate in the multiphase cavitating flows.     

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     

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.     

Time-scale for critical growth of partial and supercavitation development over impulsively translating projectiles

A physical mechanism is proposed to explain an experimentally observed critical time scale that governs the partial cavity development over blunt free flying cylindrical projectiles. The projectiles were ejected using a modified gas-gun mechanism consisting of a barrel and explosive charge. Upon ignition, high-pressure gases forced a projectile down the launch barrel and into quiescent water. Results indicate that initial small cavities created at the projectile forebody are convected downstream where they subsequently grow towards the forebody, partially enveloping the projectile in a vapor cavity. The time at which the initially stable bubbles rapidly expand signifies that the partial cavity development process has begun. When this time is quantified and is non-dimensionalized appropriately, a time-scale for the critical growth (CGTS) for the cavitation is revealed. A plausible explanation of the partial cavity development process observed in these experiments is that the process is due to the interaction between small cavitation bubbles shed from the projectile forebody and the vortex ring generated by the impulsively started projectile. This interaction mediates the destabilization and spontaneous growth of small unstable bubbles resulting in the formation of partial cavitation over the projectile. An additional supercavitation formation mechanism was observed and is attributed to the launch mechanism. This process is not due to pure hydrodynamic cavitation, but rather an effect we term “gas-leakage” whereby the driving gases contaminated the aft flow field near the projectile and thus facilitated supercavitation to occur on a reduced time scale. This mechanism is equivalent to off-body ventilated supercavitation.     

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。     

Effect of the feeding pipeline properties on the nature of cavitation-induced self-oscillations in the presence of a ventilated cavity with a negative cavitation number in the system

Physical modeling of a ventilated cavity with a negative cavitation number has shown that at the same flow rate and head parameters different cavitation-induced self-oscillation patterns can be realized. The generation of these patterns depends on the feeding pipeline parameters. The high-speed videofilming shows that the physics of the process are the same in different frequency regimes, the wave propagation velocity in the jet flow is mainly determined by the cavitation number, and the difference between self-oscillation patterns is characterized by the number of the waves along the cavity length. A method of estimating the self-oscillation frequencies from the given flow geometry and the cavitation number is proposed.