枪弹间隙对水下枪内弹道的影响

为了研究枪炮全水下发射过程中枪弹耦合间隙对内弹道特性的影响,运用AUTODYN有限元仿真软件,针对滑膛水下枪枪弹耦合设置0.1 mm间隙与不设置间隙两种情况的内弹道过程进行了数值模拟;采用21、25和30 g装药量对水下枪全水下带间隙发射内弹道过程进行了仿真分析,获得了膛压、射弹速度以及过间隙燃气射流在内弹道过程中组分、压力与速度的分布规律;并设计了实弹射击实验用于验证仿真结果。仿真和实验结果表明,合适的枪炮耦合间隙能够有效地提高水下枪发射性能。当枪弹耦合设置0.1 mm间隙时,采用3种装药量发射均能产生弹前气幕,内弹道过程膛压下降明显,弹丸炮口速度提升较为显著,有利于产生稳定的超空泡包裹弹体,使其在水下运动时所受阻力大大降低,从而增加射弹水下行程。     

三维小空化数空泡流数值方法

采用均质平衡流空泡模型,引入基于求解液体质量份数输运方程的空泡流模型,提出新的压力密度耦合的压缩性方法和控制气液两相转换的源项,求解汽水混合介质的RANS方程和带低雷诺数修正的k-ε模型,实现了小空化数(σ=0.2~0.01)下水下航行体的空泡流数值模拟.得到清晰的空泡形态特征与内部结构,以及空泡长度和最大直径随空化数的变化规律,给出航行体运动阻力系数与空化数之间的变化关系.将计算结果与解析结果及实验数据进行比较表明,该方法保证了极小空化数下自然空泡流计算的稳定性与收敛性,提高了空泡形态特性的预报精度.     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。     

水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.     

减阻剂水溶液内弹体入射超空泡特性实验研究

采用高速射弹方法实验研究了子弹入射水中及表面活性剂减阻剂水溶液中产生的超空泡形态特性。利用气动卷钉枪向水及质量分数为1×10~(-4)、5×10~(-4)和1×10~(-3)的三种不同浓度十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)表面活性剂水溶液中射弹,同时用高速摄像机记录子弹的运动过程及产生的超空泡形态。实验结果表明,相同入射条件下子弹入射CTAC水溶液产生的超空泡比入射水中产生的超空泡的尺寸大,维持的时间更长,表明子弹在CTAC水溶液中受到的阻力更小。     

小攻角下三维细长体定常空化形态研究

基于边界元方法, 使空泡表面和细长体表面分别满足Dirichlet 边界条件和Neumann边界条件, 数值迭代获得小攻角下三维细长体的定常空化形态. 采用线性三角形单元, 将控制点布置在网格节点上, 应用局部正交坐标系并采用迭代方法获得空泡表面的速度势, 进而通过边界积分方程确定空泡厚度的分布. 采用拉格朗日插值方法得到空泡末端的厚度, 避免了迭代过程中网格的重新划分. 数值结果与实验值符合良好, 验证了该方法的合理性. 系统研究了空化数、攻角以及锥角对于三维细长体空化形态的影响规律. 数值结果表明: 攻角使得细长体的空化形态呈现不对称性, 出现空泡向背流面“堆积”的现象; 而空化数越小或锥角越大, 空泡形态的不对称性将越严重. 关键词： 边界元方法 三维细长体 局部空化 攻角     

基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究

基于高速摄像方法,针对入水空泡流动特征和机理,进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究.通过对实验现象的观测,发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式,结合影像数据,分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征,并获得了空泡波动参数的变化规律;对比不同入水速度实验,分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响;依据流体力学基本理论,分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理.结果表明:随入水速度增加,入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态,波动频率与入水速度无关,闭合发生时间随入水速度增加而减小,与Froude数呈线性关系;入水导致开放空腔内部气体涨缩,引起开放端压力场和速度场周期性扰动,空泡截面扩展程度出现差异,形成空泡波动现象;空泡闭合后尾部形成回射流,回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩,形成空泡云化现象.     

不同头型弹体模型入水现象的实验研究

弹体入水问题作为理论研究方面的复杂问题,涉及到气-液-固三者之间相互影响,对其很难建立出一个能够广泛应用的、能精准地描述入水现象的模型.本文通过实验手段,利用高速摄像技术,记录了不同头型弹体入水过程.通过不同视角拍摄弹体垂直入水和垂直落入加有表面活性剂的水体实验,研究弹体头型对反弹水花速度、水面附近水花演变以及空泡的演变等现象的影响规律.实验验结果表明:同一下落高度下,顶角越大的弹体,水下空泡越大,空泡断裂时其底端的位置越靠下,水压加速距离越长,反弹水花速度越快,水面现象越剧烈,半球形头型弹体的排水现象最轻微.水体表面张力的改变对头部顶角为180°弹体水花形态有影响,而对60°,90°,120°和半球型弹体水花形态无影响.     

水中自然超空泡机理及减阻效应的非平衡分子动力学研究

应用非平衡分子动力学方法,对水中超空泡流形成机理及减阻效应进行了模拟研究.计算得到了流体密度分布、局部空化数分布、阻力系数及含气百分比等流场细节数据,结果显示空化数判据在分子层面仍然成立,局部低空化数区域与超空泡形成区域在空间上分离;超空泡形成和稳定主要受物体运动速度影响;空化器构型对空泡内含气率有较大影响;从云雾空化状态过渡到超空泡,物体表面摩擦力可以减小50%—90%.与数值模拟结果的对比表明非平衡分子动力学模拟适用于研究微观超空泡机理,能够经济有效地探讨超高速流体运动的一些自然规律. 关键词： 非平衡分子动力学 超空泡 高速流体 摩擦系数     

绕水翼片状空化流动结构的数值与实验研究

采用数值与实验相结合的方法研究了水翼片状空化流动结构.实验采用高速录像技术观察了片状卒泡形态,应用LDV测量了翼型周围的湍动能和速度分布;采用N-S方程和基于空泡动力学方程的空化模型计算了绕水翼片状空化流场.结果表明:在片状空化阶段,翼型吸力面上附着很薄的一层透明空泡,空泡彤态呈现于指状;随着空化数的减少,空泡尾部水汽交界面相互作用增强,并且空泡尾部出现大的旋涡,影响了空泡尾部区域压力和速度分布,片状空泡尾部的水汽混合区出现不稳定现象,同时存在小的空泡团脱落.数值模拟得到的水翼片状空化流动现象和实验观察到的结果基本一致,验证了计算模型和数值方法的可靠性.     

圆锥边界附近激光空泡溃灭行为的研究

为了研究刚性圆锥边界锥角对激光空泡溃灭行为的影响,文章建立了虚拟平面边界模型, 同时采用阴影摄影术、光偏转法以及数值计算的手段对边界附近空泡溃灭过程进行了研究. 结果表明边界的锥角对空泡的形状、溃灭时间以及液体射流形成均有明显影响. 空泡形状偏离球形的程度和溃灭时间均随锥角的增大而增大,且增大锥角度可以促使射流的形成. 空泡溃灭时间的实验值同理论值具有较高的一致性,验证了虚拟平面边界假设及无量纲距离修正的有效性.     

微尺度空泡溃灭驱使微球运动的机理研究

受限空泡的溃灭是气泡动力学的核心问题,研究表明毫米尺度的空泡溃灭可以拉动附近同尺度的悬浮颗粒运动.本文针对受限空泡溃灭在微尺度下的行为开展研究,通过气泡驱动的球形微马达实验,给出了微气泡溃灭形成射流从而显著推动马达前进的现象,但由于溃灭时间很短,Micro PIV系统不能给出足够的流动细节.进而采用基于流体体积的数值手段模拟了这一过程,获得了流场的时空分布,并通过积分估算了微球获得的冲量,给出了微球所能达到的速度.结果表明这一问题与尺度密切相关,微尺度下空泡溃灭足以推动微球显著运动,在气泡尺寸固定的情况下,微球半径越小,微球与气泡间距离越近,推动的效果越明显.冲量定理则定性地解释了宏观尺度与微尺度下存在差异的原因.这一特殊的微流动问题不但扩展了空化研究的尺度范围,揭示了微尺度下空泡与颗粒作用的特性,而且对提高微马达的驱动效率也具有重要意义.     

新型高速半导体器件IMOS阈值电压解析模型

本文在研究IMOS器件结构的基础上, 分析了该器件不同区域的表面电场, 结合雪崩击穿条件, 建立了P-IMOS的阈值电压解析模型. 应用MATLAB对该器件阈值电压模型与源漏电压、栅长和硅层厚度的关系进行了数值分析, 并用二维器件仿真工具ISE进行了验证. 结果表明, 源电压越大, 阈值电压值越小; 栅长所占比例越大, 阈值电压值越小, 硅层厚度越小, 阈值电压值越小. 本文提出的模型与ISE仿真结果一致, 也与文献报道符合. 这种新型高速半导体器件IMOS阈值电压解析模型的建立为该高性能器件及对应电路的设计、仿真和制造提供了重要的参考.     

激光空泡溃灭及其产生的声波

强激光脉冲在水中的自聚焦传输、成丝、击穿及击穿后产生的声波,近年来成为强激光脉冲传输应用研究领域的一个热点。强激光脉冲电离产生的空泡在溃灭过程中,对周围水体产生压缩,从而在水下产生声波。在现有理论基础上,考虑空泡含气量、水的粘滞系数和水的表面张力系数对空泡运动及其产生声波的影响。给出双空泡运动方程,分析空泡间距对空泡溃灭和其产生声压关系。根据实际情况,计算不同温度情况下单空泡和双空泡运动过程及其产生的声压,并进行相互比较。计算结果表明: 水温越高,空泡运动时达到的最小半径越小,空泡振荡周期和溃灭时间延长,产生声压越高。随双空泡间距减小,空泡溃灭时达到的最小半径线性减小,而其产生的最大声压则单调增大。     

非球形水下爆炸气泡坍塌机制

 为研究非球形水下爆炸气泡的坍塌机制和射流特性,采用水下爆炸实验和数值模拟相结合的手段,研究了典型的柱形装药自由场水下爆炸气泡的运动过程。实验结果与数值模拟结果符合较好,通过对比发现,非球形水下爆炸气泡坍塌所形成的射流与球形气泡坍塌射流的行为存在差异。研究结果表明：非球形气泡的坍塌过程与气泡初始形态的局部曲率半径有关,初始气泡表面曲率半径大的区域的初始膨胀速度较曲率半径小的区域的小,坍塌时刻也较早,导致气泡产生非球形坍塌。     

超连续谱激光在湍流大气中传输特性的数值仿真研究

采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明:湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重;湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等;降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性;与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.     

表面张力对固壁旁空泡运动特性影响的理论和实验研究

表面张力是影响空泡脉动及空蚀的一个重要因素.对五种不同表面张力液体中空泡脉动（膨胀和收缩）过程进行了研究,并将实验结果与基于空泡生长和溃灭理论的计算结果进行了对比.实验中,用激光作为测试光源,采用光偏转测试系统研究了不同表面张力液体中空泡泡壁运动规律及泡壁速度的变化.结果表明：表面张力对空泡膨胀过程起抑制作用,故液体表面张力愈大,空泡能达到的最大直径越小;表面张力对空泡的收缩过程则起加速作用,液体表面张力愈大,收缩越迅速,空泡泡壁运动速度越大,其所产生的瞬时溃灭压强越大,空化效果越好. 关键词： 表面张力 空泡 光偏转     

全浸水带间隙发射高速射弹的入水冲击载荷分析

全浸水带间隙发射方式可以将发射环境由水介质转化为气体介质。为了研究高速射弹在此条件下的入水冲击载荷,建立了射弹入水冲击载荷的理论模型。针对射弹在入水速度、头部锥角和入水攻角不同情况下的入水冲击载荷进行了计算,分析了入水速度、射弹头部参数和入水攻角对冲击载荷的影响。研究结果对全水下高速射弹入水冲击载荷的预测和射弹头部结构的设计具有重要意义。     

行波驱动下空泡在可压缩流场中的运动特性研究

基于波动方程给出了计及可压缩性的边界积分方程. 以此为基础,求解行波驱动下非球状空泡的运动规律及其运动稳定性,并分析比较了行波频率、幅值以及初相位对空泡运动特性的影响. 研究结果表明：较高的行波频率与较低的幅值是空泡稳定运动的充分条件. 在一定幅值和频率的行波驱动下,空泡将在收缩阶段末期形成与行波传播方向相同的高速射流;计及流场可压缩性后,空泡脉动一次的时间减短,幅度减弱,射流顶点速度以及空泡内部压力的峰值随之减小;随着行波频率的增大或是幅值的降低,空泡脉动幅度与射流强度逐渐减弱;行波初相位的变化使空泡的初始运动状态随之改变,并影响非球状变形时的射流强度. 关键词： 可压缩 空泡 行波 运动特性     

超弹性球体入水过程空泡演化及球体变形实验

超弹性材料是工程实际中常用的材料,具有很强的非线性力学性能.将超弹性材料应用于入水问题是一个新的跨学科研究方向.与传统的刚性球体入水现象不同,超弹性球体入水后极易发生变形.为了探究该大变形的入水流固耦合问题,本文采用高速摄像方法,对超弹性球体垂直入水问题开展实验研究.基于实验结果,对比分析了球体材料属性和入水冲击条件对入水空泡流动及球体变形行为的影响.实验结果表明,超弹性球体入水后产生嵌套空泡现象的条件是需要足够大的入水冲击条件和小的材料剪切模量.嵌套空泡产生和保持的时间与球体的剪切模量和直径有关.超弹性球体的入水位移及其形成空泡的长度随入水冲击速度和剪切模量的增大而增大,却随球体直径的增大而减小.入水冲击速度的增加只会加剧球体的变形程度,而不影响嵌套空泡的产生时刻.同时,本文对球体的变形行为随弗劳德数和剪切模量与水动力之比的变化特性进行了描述与研究.