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.     

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。     

大口径锥头弹体高速倾斜入水偏转规律数值模拟

结合某大口径锥头弹体高速倾斜入水试验,采用任意拉格朗日-欧拉（arbitrary Lagrange-Euler,ALE）流固耦合方法对弹体倾斜入水偏转行为进行数值模拟,研究了弹体以500 m/s高速倾斜入水过程中不同受力模式、载荷变化特征以及弹体发生偏转的力学机理,分析了入水角度对弹体偏转规律的影响。结果表明：在俯仰力矩作用下,弹体均发生抬头方向偏转,且偏转速度呈现先增大后减小的趋势,偏转程度在不同入水角度范围内呈现不同的变化趋势。当入水角度小于15°时,弹体会发生“跳弹”现象;当入水角度为30°~60°时,弹体偏转趋势基本一致,均由初始倾斜状态逐渐转动至水平状态、竖直状态并最终以弹头入水反方向的“出水”姿态向水下运动;当入水角度为75°时,弹体转动至水平状态后,并未继续偏转至竖直状态,弹头以朝斜上方的姿态向水下运动;弹体的入水侵深随入水角度的增大而增大,且增大趋势近似满足指数函数关系。     

旋转圆球入水空泡特性与流场结构的大涡模拟研究

圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值. 采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法, 对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟, 研究了转速对入水空泡演化、流场结构和水动力特性的影响. 采用动网格与滑移网格技术实现圆球的自由运动, 并基于试验结果对比验证了数值模拟的可靠性与正确性. 旋转运动的升力效应导致圆球入水弹道发生偏转并从水面携带横向楔形射流侵入空泡内部. 采用入水砰击速度与转速进行归一化分析, 结果表明入水转速的增加显著改变了圆球的动力特性: 水平方向的速度和位移以及升力峰值都随入水转速的增加而变大, 但升力峰值受到入水速度的限制; 而垂直方向的速度和加速度以及空泡断裂深度几乎不受转速增加的影响, 并且空泡深闭合发生前圆球转速变化不大. 入水转速的增加也使液面飞溅环和空泡断裂的非对称性增强, 在较低转速时发生空泡表面闭合, 而在较高转速时则发生空泡深闭合. 对于空泡深闭合模式, 入水转速的增加带来更强的横向楔形射流, 并且抑制了空泡断裂产生的高压以及相应涡结构的生成, 致使圆球在入水砰击阶段承受更低的侧向压力.      

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.      

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。     

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.     

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。     

空心弹高速入水机理及特性数值模拟研究

为分析空心弹高速入水的机理及其特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程、VOF（volume of fluid）多相流模型、Realizable k-ε湍流模型,引入Schnerr-Sauer空化模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行数值模拟研究,获得了通孔孔径和头部形状对空心弹的空化特性、空泡形态和入水运动特性的影响规律。研究显示数值计算的空泡形态和入水速度、位移曲线与实验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可行性。结果表明：当通孔孔径不同时,通孔孔径越大,空化现象越明显,通孔射流越长,但对空泡半径的影响不大;通孔孔径越小,空泡闭合时间越早,与水面碰撞产生的阻力系数峰值越高,空心弹入水稳定后其阻力系数也越大;无量纲直径在0.575~0.600之间时,空心弹的运动最为稳定。当头部锥角不同时,头部锥角越大,空泡直径越大,空化现象出现得越晚,但空化生成的速度更快;随着头部锥角的增大,阻力系数变大,空心弹的速度衰减变快,相同时间运动的距离较短;头部锥角越大,俯仰角的变化越小,空心弹的运动越稳定。     

破碎浮冰环境下结构物倾斜入水空泡演化特性实验研究

为探究破碎浮冰覆盖密度对结构物入水空泡演化的影响,利用高速摄影技术开展了不同破碎浮冰覆盖密度下结构物倾斜入水实验。通过对比不同碎冰覆盖密度工况下的结构物倾斜入水过程,获得了碎冰覆盖密度对结构物倾斜入水空泡演化特性的影响规律。结果表明：与无冰环境相比,当空泡扩张时,破碎浮冰通过阻碍液面流体向外扩张,致使空泡直径减小;而空泡闭合时,碎冰会阻碍液面流体向内收缩,延长空泡扩张时间,此时空泡内空气总量增加,空泡内外压差减小,最终导致空泡闭合延迟。碎冰覆盖密度较小的工况在空泡溃灭时会出现指向空泡内部的射流。随着碎冰覆盖密度的逐渐增大,其对液面流体向内收缩的阻碍作用逐渐增强,进一步延迟了空泡的闭合时间,空泡的长度和最大直径也相应增大。此外,碎冰覆盖密度较大的工况下,流体的无规则冲击使得空泡壁出现褶皱。随着结构物入水深度的增加,空泡在环境压力作用下会出现深颈缩现象;随着碎冰覆盖密度的逐渐增大,结构物的水下运动速度相较于无冰环境呈现更快的衰减趋势。     

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)     

空心弹高速斜入水弹道稳定性研究

空心弹是一种具有通孔结构的新型射弹, 与相同口径的实心射弹相比, 阻力更小, 在同等装药量的条件下具有初速高的优点, 其入水时呈现复杂的入水流体动力学和弹道特性. 文章基于雷诺时均 Navier-Stokes 方程、VOF (volume of fluid)多相流模型、SST (shear stress transfer)k-ω湍流模型、Schnerr-Sauer 空化模型、六自由度模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行了数值模拟, 研究了入水速度和角度对空心弹入水空泡、空化、载荷和弹道稳定性的影响. 将数值计算结果与实验结果进行对照, 空泡形态和质心轨迹曲线与实验结果吻合较好, 验证了数值模拟方法的可行性. 结果表明: 空心弹入水速度对空泡的大小和空泡内空化的程度影响较大, 随着入水速度越高, 空泡也越大, 空化越明显, 弹体的速度衰减越快, 弹道越不稳定, 弹体失稳越早; 随着入水速度越低, 空心弹的阻力和升力系数越小, 弹体运动越稳定. 入水角度对空泡的大小及弹体的偏转程度有较大影响, 入水角度越大, 弹体偏转时刻的空泡越大, 空泡内的空化越明显, 弹体头部的高压区域越小, 阻力、升力和力矩系数越小, 相同时间内弹体的偏转角越小, 弹体姿态越稳定. 入水角度越小, 弹体的偏转角增加的越快, 弹体运动越不稳定.     

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     

伴随超空泡产生的高速细长体入水实验研究

介绍了几种不同工况下高速细长体入水过程的实验研究工作. 用高速摄影仪实时记录了细长体高速入水时与自由液面之间的瞬态相互冲击作用, 清晰地观察了细长体高速入水后诱导生成的水中空泡流的形态及其演化过程. 具体分析了几种工况下高速细长体入水瞬间自由面的波动特性和细长体入水后运动的不稳定性. 从实时记录的照片中,测量出相邻2帧图片之间的细长体的位移差之后, 计算出细长体在入水过程中以及在水中的瞬时速度. 通过分析物体速度的变化趋势, 了解了超空泡流动的复杂过程.      

入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模以技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.     

水下高速射弹超空泡运动建模与仿真

建立并简化了水下高速射弹动力学和运动学模型。基于空泡模型假设和空泡截面独立扩张原理,确定了空化数与速度、深度的耦合计算关系;定义了水下射弹尾翼穿刺前的临界空化数;对水下高速射弹弹道特性进行了仿真研究。仿真计算结果表明：水下射弹有效射程受初始入射角影响较大;随着初始入射角的增大,有效射程逐渐减小;提升初速度可以带来有效射程的增大,但增幅效果不显著,在满足预定指标条件下应合理选择初速度;初始攻角对射弹弹道散布影响较大,初始角速度对其影响很小,但较大的初始角速度会带来明显的攻角变化。     

Computations of wall distances by solving a transport equation

Computations of wall distances still play a key role in modern turbulence modeling. Motivated by the expense involved in the computation, an approach solving partial differential equations is considered. An Euler-like transport equation is proposed based on the Eikonal equation. Thus, the efficient algorithms and code components developed for solving transport equations such as Euler and Navier-Stokes equations can be reused. This article provides a detailed implementation of the transport equation in the Cartesian coordinates based on the code of computational fluid dynamics for missiles (MICFD) of Beihang University. The transport equation is robust and rapidly convergent by the implicit lower-upper symmetric Gauss-Seidel (LUSGS) time advancement and upwind spatial discretization. Geometric derivatives must also be upwind determined to ensure accuracy. Special treatments on initial and boundary conditions are discussed. This distance solving approach is successfully applied on several complex geometries with 1–1 blocking or overset grids.