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。     

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。     

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。

     

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.      

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。     

入水后爆炸问题的数值模拟技术

应用各种数值计算方法及计算处理技术,编制程序实现了对弹体入水后爆炸问题全过程的数值模拟.其中弹体与水,爆轰产物气体与弹壳之间的相互作用通过流固耦合技术来描述;水面与空气、爆轰产物与水、空气之间的相互作用采用VOF方法(Volume-of-Fluid)来描述;采用了刚体-柔体转换、单元失效删除等计算技术以更高效、更好地模...     

基于FPM方法的入水问题数值模拟研究

结构体入水作为一个高度非线性的冲击动力学问题,广泛存在于船舶海洋和军事等工程领域,因此,对该问题进行精确而高效的数值模拟是十分必要。采用有限质点法(finite particle method, FPM),结合无反射边界,数值模拟研究了二维结构体入水的动态过程。通过分析楔形体入水所受的垂向力、速度和压力,并与相关文献结果对比分析,验证了该方法的有效性。在此基础上,对不同工况下的入水问题进行了模拟,研究了不同尺寸、形状、初速度和质量等情况下,结构入水冲击时垂向力和速度随时间的变化规律,以及不同时刻下压力响应的变化趋势。研究结果表明：楔形体的底升角尺寸、结构体形状、入水初速度和质量等因素都会直接影响结构体入水的力学特性,为入水结构体的力学设计提供了参考。     

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     

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。     

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)     

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.     

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.     

钝体倾斜和垂直冲击入水时引起的超空泡流动特性实验研究

对4种不同头型的钝体、以不同初始速度在小倾斜角度和垂直状态下入水,所产生的空泡流进行了的实验观察,分析了不同工况下空泡产生和发展的特性。实验结果表明：对于倾斜入水及垂直入水,圆台头和平头(即空化器均为圆盘)实验体均能形成较稳定的入水弹道;初始入水速度较低时,空泡的闭合方式为深闭合;初始入水速度较高时,空泡的闭合方式为表面闭合,且运动速度衰减得更快。测量得知,钝体倾斜入水产生的空泡的前部外形轮廓与Logvinovich的半经验公式给出的结果相吻合。在垂直入水的情况下,调查了物体头部对空泡的起始点位置及其形态的影响。

     

正交异性复合材料储液容器入水过程数值分析

采用多物质ALE流固耦合算法,对柔性储液容器的入水问题进行了仿真研究。该方法可以方便地考虑多种流体同时与结构耦合。首先,通过模拟平板恒速入水试验,验证了该方法的有效性,并确定了空气的影响。进而,仿真分析了复合材料柔性容器入水时的动态响应行为,结果表明,底部"空气垫"及容器内空气对冲击载荷具有一定的缓冲作用,容器底部形状、储液量等因素也具有较大影响。仿真得到的响应规律为容器的优化设计提供了重要的理论参考。     

应用基于GPU的SPH方法模拟二维楔形体入水砰击问题

光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种无网格的拉格朗日效值方法,广泛应用于计算流体领域模拟复杂自由表面流问题.SPH方法的主要缺点就是计算量过大,而基于GPU的并行计算方法可使SPH计算得到有效加速.本文应用基于GPU的SPH并行计算方法研究了二维楔形体的入水砰击问题.数值计算结果与文献中对应的解析解比较一致,验证了基于GPU的SPH方法的精度和可靠性.仿真结果同时显示基于GPU的并行计算方法可使SPH计算速度得到显著提高.     

MPS方法数值模拟楔形体入水问题

入水问题是船舶海洋工程中典型的流动问题。当船舶在恶劣海况中航行或海洋平台遭遇恶劣天气时,结构物和水体之间往往会出现剧烈的砰击作用。砰击发生时,伴随着结构物湿表面的变化、自由液面的翻卷和破碎等强非线性现象。本文采用本课题组自主开发的基于移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-Implicit Method)的求解器MLParticle-SJTU对二维楔形体入水问题进行了数值模拟。选取斜升角为30°的楔形体模拟其入水过程,研究了不同粒子布置方式对于计算结果如垂向水动力和自由面变化的影响,并与MLM砰击模型(Modified Logvinovich Model)的结果进行了比较,吻合较好。在此基础上,进一步研究了不同斜升角对计算结果(垂向水动力和自由面变化)的影响,其中流动分离前的垂向水动力与MLM结果相近,表明了MPS方法能有效地模拟入水问题。