旋转弹丸入水侵彻规律

为了建立高速弹体入水弹道的模型,利用数字式高速录像机实验研究了球形与普通手枪两种弹丸在三个入水角、六种发射速度下斜入水的水中弹道轨迹与空泡。实验结果表明,弹丸形状对入水弹道的稳定性有重要影响。球形弹丸在斜入水时弹道稳定性较好,而普通制式弹丸的弹道不稳定。在一定的入水角与速度范围内,球形弹丸入水初期弹道的空泡特性、弹道轨迹以及速度衰减规律具有一定的相似性。而对于水中速度随时间的衰减规律,则两种弹丸都具有一定的相似性,且表现出极强的速度衰减特性。给出了弹丸水中速度衰减规律的数学预报模型,并与实验结果进行了比较,理论结果与实验结果吻合较好。     

冰孔约束条件下的弹丸倾斜入水实验研究

基于高速摄影技术,开展了冰孔约束条件下的弹丸倾斜入水实验;通过对比分析无冰环境与冰孔约束条件下的弹丸入水运动过程,并将入水运动过程分为空泡扩张、空泡闭合以及空泡溃灭三个阶段进行了研究,得到了冰孔约束条件下弹丸入水的空泡演化特性;通过对比同一直径冰孔约束条件不同入水初速下弹丸的空泡演化过程及速度变化规律,总结得出了入水初速对于冰孔约束条件下弹丸空泡演化特性以及入水运动特性的影响规律。研究结果表明：空泡扩张阶段,冰孔约束条件下产生的喷溅较为分散,弹丸背水面产生部分隆起;此外,冰孔约束条件下的空泡扩张受到阻碍,空泡最大直径减小。空泡闭合阶段,冰孔约束条件下的空泡闭合时间提前,并且撞击冰板的反射流冲击空泡侧壁使空泡发生局部冲击溃灭。空泡溃灭阶段,冰孔约束条件下的溃灭尾迹由局部冲击溃灭、脱落溃灭和正常溃灭组成;空泡溃灭产生的尾迹旋涡较小。随着入水初速的提高,空泡的长度和最大直径明显增大,局部冲击溃灭的宽度增加;冰孔约束条件会使得弹丸在空泡扩张阶段的速度衰减幅度增大,空泡的闭合时间提前,开始溃灭的时刻延后。

     

弹丸入水特性的SPH计算模拟

应用SPH方法研究弹丸入水过程中的动力学特征。利用拉格朗日形式的N-S方程自编SPH程序,建立弹丸入水的计算模型,赋予相应的材料参数及状态方程,研究弹丸外形、入水速度和角度等因素对入水过程的影响。模拟结果表明:空化泡的形态及发展规律主要由弹丸的运动姿态决定;弹道越稳定,阻力因数就越小,弹丸的存速就越大。SPH方法具有较强的自适应性,适用于研究弹丸入水的流固耦合问题。     

弹丸倾斜入水尾拍运动特性实验

基于高速摄影技术,开展多工况下弹丸倾斜入水实验,并利用自编程序,对实验图像进行像素点捕捉及数据提取与处理。通过分析弹丸倾斜入水空泡形成、发展及溃灭过程,得到尾拍过程中弹丸的空泡演化特性。此外,通过对比分析不同入水初速下空泡尺寸及弹丸速度与加速度的变化规律,总结出入水初速对弹丸空泡演化特性及入水运动特性的影响规律。结果表明：弹丸发生尾拍后,部分弹尾穿透原始空泡发生沾湿,同时自弹尾向后产生了新的尾拍空泡,尾拍空泡与原始空泡间贴合紧密;尾拍结束后,尾拍空泡在水中的位置基本不变,最终从弹丸原始空泡表面拉脱溃灭,而相同深度的原始空泡在尾拍产生射流影响下加速溃灭;随着入水初速的升高,尾拍空泡的尺寸及原始空泡的长度逐渐增大,尾拍过程中弹尾最大沾湿面积也逐渐增大;随着尾拍次数的增加,弹丸在每次尾拍过程中速度衰减幅值增大,同时弹丸损耗的能量逐渐增多,弹丸存速能力下降。     

爆炸成型弹丸的试验研究

本文主要介绍了在炸药爆炸驱动下形成EFP的装药结构设计，并对爆炸形成EFP过程进行了必要的光测和电测，得到EFP运动过程的分幅照片，EFP速度－距离曲线。对钢板叠靶及混凝土靶进行了模拟实验，并对破坏效果进行了分析与讨论。     

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。     

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。

     

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.     

球体入水空泡演变和运动特性影响试验研究

为了探究表面粗糙度对球体入水空泡演变及运动特性的影响,基于实验室开放水槽试验系统,选取了5种表面粗糙度的球体,使用高速摄像机记录入水过程,并得到了各个球体的入水空泡、喷溅的演变过程以及运动特性的变化。发现入水空泡和喷溅的闭合都会给球体一个负方向的加速度。通过对比不同表面粗糙度球体的位移、速度、加速度曲线,发现表面粗糙度最大的球体在砰击阶段结束后,其速度会明显小于其他球体,并且表面粗糙度对球体运动的影响主要体现在入水早期。分析了上述各球体的入水空泡闭合后,与自由面相连的空泡的收缩运动,发现其收缩速度和加速度曲线均会出现极大值点,呈现出球体表面粗糙度越大出现得越早的趋势。

     

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.      

带尾翼翻转型爆炸成形弹丸试验研究

采用多点起爆方式,设计了带尾翼翻转型爆炸成形弹丸(EFP)试验装置。用X光和SVR数字相机拍摄了EFP的外形和速度;用多层纸靶测试了EFP在不同飞行距离时的飞行姿态;进行了EFP穿靶能力的检验;并利用泡沫和锯末进行了EFP的软回收。由试验结果知,EFP速度为1.56～1.72km/s,长径比最大达到了3.69,由药型罩转变为EFP的质量转换率达到了98%,EFP具有较好的尾翼结构和气动稳定外形。该EFP能穿透厚度为50mm的厚钢靶或厚度为6mm、间距各为1m的5层薄钢靶。     

固体粉末添加剂对主轴承空穴噪声的模拟试验研究

针对汽车发动机主轴承中类似打字机的无规律异常噪声,利用自行研制的平行板挤压油膜试验机模拟发动机主轴承在动态耦合作用下的油膜噪声试验. 在试验机可以实现声音、位移、振动、拉压力和油膜空穴图像同步采集基础上,探究了不同固体粉末添加剂对油膜空穴噪声的影响,其中包括碳粉、多孔质硅铝酸盐、荧光剂(油溶性与非油溶性)和二硫化钼粉末. 结果显示碳粉、多孔质硅铝酸盐粉和非油溶性荧光剂粉有抑制油膜空穴噪声的作用,其平均降噪率分别为50%、70%和75%,这表明后两者具有更优的降噪效果. 随着加入量的增加,碳粉和多孔质硅铝酸盐粉的抑制噪声作用先增强后趋向平稳,而非油溶性荧光剂粉的抑制噪声作用先增强后减弱. 这三者抑制油膜空穴噪声的机理主要是由于其特殊的多孔结构能够增加液体中的成核粒子,形成不易聚集的小空穴,降低了与大气连通的可能性,从而减少了油膜空穴噪声出现的频率.      

转管炮弹丸运动的研究

弹丸的起始扰动是造成旋转弹丸散布主要因素之一.本文建立了不对称弹丸在旋转挠性线膛炮管内和后效期内运动的动力学模型;导出了弹丸在各期间内的统一的运动微分方程;求得弹丸在各期间内运动的解析公式;从而研究了弹丸的起始扰动;其公式对某弹炮系统的计算结果与实验吻合较好.     

一种弹体入水冲击波阴影成像可视化系统及其试验研究

扩大成像视野对于开展充水容器中弹体入水冲击波传播及弥散方面的可视化研究具有重要的实际意义。阴影成像技术适用于大视野实验,且对流场冲击波和扰动的可视化研究具有简单性和通用性,其中直接阴影成像最为简单,但可靠点光源的缺乏是阻碍其发展应用的瓶颈。因此基于国产短弧氙灯管,自制了短弧氙灯点光源,根据阴影成像原理,设计出一种弹体入水冲击波阴影成像可视化系统,详细介绍了其组成和运行原理。利用该系统对高速弹体入水进行了试验研究,获得了弹体入水冲击波的阴影成像和冲击波信号的压力时程曲线,通过阴影成像和冲击波信号相结合分析了弹体入水冲击波的传播特性,并进行了理论验证。结果表明:该弹体入水冲击波阴影成像可视化系统具有可靠性和设计的合理性。弹体高速入水后,初始冲击波的强度最大,随着冲击波的传播,冲击波强度逐渐降低,水中冲击波的传播速度不断降低,球形冲击波的半径逐渐增大。     

球体垂直入水空泡实验研究

针对球体垂直入水问题开展了实验研究,分析了入水空泡的形成、发展、闭合及溃灭过程。通过开展不同初始入水速度及表面沾湿状态的实验研究,得到了入水速度及表面沾湿状态对球体入水空泡流场的影响,同时分析了球体在垂直入水过程中的位移、速度、加速度以及阻力因数。结果表明,球体在水下的运动参数具有较强的非线性特性,速度较高、入水空泡深闭合的条件下,球体的运动参数及阻力因数曲线具有明显的波动。

     

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...     

水中爆炸表面空穴的理论研究

针对水中装药爆炸直达冲击波在自由面反射形成表面空穴的问题,应用水中爆炸冲击波声学近似理论,认为冲击波不能穿过空穴传播,得出一维水中爆炸表面空穴范围、水质点运动速度、水层抛射速度、空穴闭合时间以及空穴闭合产生的压力峰值与持续时间等,并将结论扩展到二维空间.通过具体算例,对比本方法与F.A.Costanzo等采用Arons...     

爆炸成型弹丸药型罩研究

为了提高反装甲武器的功效,在装药条件、几何尺寸相同的条件下,分别对以钨铜粉末冶金、紫铜和铜铝复合金属三种不同材料为药型罩的爆炸成型弹丸进行了破甲实验,得出以铜铝复合金属材料作为药型罩、且罩顶开通孔的爆炸成型弹丸的破甲能力可比以紫铜为药形罩的弹丸提高22%,并且形成的破片形状规则。     

超疏水小球低速入水空泡研究

物体入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用背景.物体在跨越自由液面入水的过程中,在一定的条件下,会向水中卷入空气形成空泡,空泡的运动还可能形成指向物体的射流,从而对物体的受力及其运动过程产生影响.超疏水表面能够在物体入水过程中形成多尺度流固耦合作用,进而影响物体的运动和宏观流动现象.而对于小尺度的小球低速入水问题,表面和界面力往往起主导作用.为了在更广的参数空间获得超疏水小球入水空泡类型和小球的运动特性,采用高速摄影实验方法,研究了半径0.175～10 mm的超疏水小球低速入水及空泡动力学行为,获得了小球漂浮振荡、准静态空泡、浅闭合空泡、深闭合空泡和表面闭合空泡5种类型的动力学行为,探讨了这些运动行为与韦伯数We和邦德数Bo之间的关系,并推导了小球漂浮振荡与下沉现象的无量纲关系.研究结果表明:超疏水小球的入水及空泡动力学行为主要与韦伯数We和邦德数Bo有关.在邦德数Bo O (10~(-1))范围内,表面张力对流动的影响显著,随着韦伯数We的增大,小球入水及空泡动力学行为依次经历漂浮振荡、准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合;在邦德数O(10~(-1))Bo O(1)范围内,漂浮振荡现象不再发生;当邦德数Bo O(1)后,浅闭合现象也不再发生;小球漂浮振荡与下沉现象的临界关系可以用相似律关系描述.     

入水冲击问题研究的现状与进展

无论在理论分析还是数值模拟方面,入水冲击和砰击都是比较复杂的瞬态物理问题。按照时间历程分三个阶段综述了入水冲击理论、试验和数值仿真的发展概况,阐述了入水冲击和砰击现象现阶段研究的内容和热点,特别针对数值建模技术发展的研究状况进行重点叙述。为航天和航海领域进一步开展入水研究提供参考。