导弹水下点火推力峰值问题的数值研究

通过对燃烧室内燃气采用常微分控制方程,对喷管-燃气泡流场采用准一维模型,数值研究了导弹水下点火初期推力峰值与燃气泡初始体积、喷管尾盖打开压强、发射深度等参数的关系。对水流场采用势流理论并通过边界元方法求解,水流场和燃气泡流场由交界面上的压力连续和速度连续条件相互耦合;利用准一维气流场模型计算得到的结果表明导弹在水下点火后瞬间所受推力将急剧增大,与利用球形气泡模型得到的结果一致。计算结果还表明推力峰值随着燃气泡初始体积的增加迅速降低,随着喷管尾盖打开压强的增加而增大,随尾盖质量的增加而增大;在一定范围内发射深度的变化对推力峰值影响较小,计算结果可为工程设计部门提供参考。     

导弹水下发射燃气泡计算

采用一维非定常气流场模型和轴对称理想水流场模型，对水下发射导弹的尾部非定常燃气泡内外流场进行了耦合数值求解。考虑了高温燃气与水介质之间的传热、汽化等对泡内气体流动的影响，数值模拟了燃气泡的生长和脱落过程，揭示了燃气泡中气体流动的基本规律，计算了燃气泡发展对导弹所受水动力的影响。     

导弹纵向俯仰气动特性数值分析

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,计算了某型巡航导弹的静、动态绕流流场和空气动力特性.湍流模型应用修正后的B-L代数湍流模型.以细长旋成体绕流流场为例进行数值计算,并和实验数据相比较,验证了本文方法的可靠性,在此基础上,开展了某型巡航导弹绕不同转轴和以不同频率进行俯仰振动的非定常气动力迟滞特性研究.计算结果表明,当导弹作快速俯仰振动时,在上仰和下俯过程中的同一迎角瞬间,绕导弹流场流动明显不同,表现出明显的非定常迟滞特性.并且,导弹的非定常气动力迟滞特性随振动频率的增大变化明显,且气动力迟滞曲线随着振动轴位置的变化而变化.     

潜射导弹出水过程响应分析

水下点火发射的导弹出水运行过程中与反馈的流体形成相互作用的流固耦合问题。 工程方法计算导弹的附连水质量，从而得到了考虑汉固耦合影响以后的导弹出水的自振特性及动力响应结果。     

喷管对水下爆轰气泡形态和压力特征影响的实验研究

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明：扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡...     

谐波平衡法在动导数快速预测中的应用研究

谐波平衡法以傅里叶级数展开为基础,将周期性非定常流场的非定常求解过程转化为几个定常流场的耦合求解过程,并通过重建得到整个流场的非定常过程. 建立了基于谐波平衡法的动导数快速预测方法,数值模拟了超声速带翼导弹俯仰的动态流场,并通过积分法获取了俯仰动导数,与实验结果吻合很好;且在同等计算精度下,谐波平衡法的计算效率是双时间步方法的13 倍. 应用谐波平衡法研究了较大范围内减缩频率对俯仰动导数的影响规律. 研究发现,对于本外形,当减缩频率降低到一定值后,俯仰动导数的值迅速变化,甚至发生变号;对此现象产生的原因进行了深入分析,并通过对导弹自激俯仰运动的数值模拟验证了该结果. 此外,针对大攻角条件下动态流场非线性强的特点,开展了谐波平衡法在大攻角下的适用性研究. 结果表明,谐波平衡法在大攻角下也能取得很好的计算结果.      

气泡弹性对同心筒水下发射影响研究

潜射导弹自同心简装置发射过程中在筒口处会形成燃气泡,由于气泡在水下的弹性效应,水气耦合作用导致气泡周期性地膨胀压缩,会对导弹弹道参数、受载特性产生一定影响.以CFD为技术手段,建立了导弹水下发射动态仿真模型,通过数值模拟获得了发射过程中多相流场、导弹弹道参数及受力的时间历程曲线,分析了气体弹性效应对参数变化的影响;并针对发射深度及其发射艇速对气泡弹性效应的影响进行了仿真分析,给出了其影响规律.仿真方法和结果对工程研究有一定参考价值.     

飞行器纵向俯仰气动特性计算研究

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,计算了巡航导弹外形飞行器作小振幅俯仰运动时的动态绕流流场和空气动力特性,开展了导弹绕不同转轴、以不同频率和在不同迎角范围内进行俯仰运动的非定常气动力迟滞特性研究。计算结果表明,当导弹作快速俯仰运动时,在上仰和下俯过程中的同一迎角瞬间,绕导弹流场流动明显不同,表现出明显的非定常迟滞特性。导弹的非定常气动力迟滞特性随俯仰运动频率的增大明显增强,且气动力迟滞曲线随着俯仰轴位置的变化而变化。在同一减缩频率下,导弹在不同迎角范围内作周期俯仰运动时,相同的运动相位角所对应的升力系数对迎角的导数是一致的,而不同减缩频率下升力系数对迎角的导数随运动相位角变化曲线明显不同。     

水下弹射与横向动力学耦合模型研究

导弹水下发射时,在横向载荷作用下的姿态变化是影响发射安全的重要因素。笔者围绕水下弹射引起的多相流动及支承结构变形载荷,以计算流体力学方法和嵌套动网格技术为基础,依据弹体六自由度运动引起的支承载荷变化,构建水下弹射与横向动力学耦合计算模型。该模型应用于模拟弹射和横向流作用下的导弹弹射过程,模拟结果表明:采用流动与刚体动力学耦合模型计算结果与实验测量结果在最大负压冲击下误差小于5%,能够有效描述水下弹射的水-气两相流动特征,可用于水下弹射与动力学模型的耦合分析。     

高速喷流下的柔性旋转火箭发射系统瞬态响应

对于柔性旋转火箭发射系统，考虑高速燃气喷流作用下的系统耦合振动．建立发射系统动力学模型，数值计算发射管流场结构，确定系统瞬态响应和燃气流冲击对火箭发射姿态的影响，更加真实地模拟柔性旋转火箭的发射动力学环境．     

环形喷管喷口气泡演化的实验研究

水下气泡的发展演化及气泡动力学行为是气液两相动力学的基础理论与水下射流应用的重要基础. 环形喷管/喷口形成的气泡及气体射流具有其不同于圆孔实心射流的特殊表现与规律机制,随着同心筒破水发射等特殊应用的出现,环形喷口气体射流/泡流的基础现象观测和机制分析成为迫切的需求. 基于环形喷管的设计和水下射流条件的分析,设计建立了一套环形喷管水箱实验系统,对水下环形喷管喷口气泡发展演化过程进行了初步的实验研究. 为观测研究气体通过环形喷管气泡生长发展过程,在较低压力、较低流速下,采用高速摄影仪记录气泡生长及发展演化过程. 结合对气泡发展演化过程的图像处理与分析,研究分析了环形喷口气泡形成区制、气泡生长过程形态发展特点、以及气泡形成时间及气泡体积变化特点. 研究表明:在本实验气体流量范围内(50.8~237.3 dm3/min),环形喷口气泡发展演化过程呈现较为明显的三周期区制,前泡尾流影响是环形气泡呈三周期区制的主要原因;不同周期内的气泡形成时间具有较稳定规律,并受到流量影响;气泡生长过程中有较为明显的下沉、回升特征;气泡表面张力、液体惯性与流动的共同作用,造成了典型的气泡顶部坍塌现象.      

Robust numerical analysis of the dynamic bubble formation process in a viscous liquid

The dynamics of bubble formation from a submerged nozzle in a highly viscous liquid with relatively fast inflow gas velocity is studied numerically. The numerical simulations are carried out using a sharp interface coupled level set/volume-of-fluid (CLSVOF) method and the governing equations are solved through a hydrodynamic scheme with formal second-order accuracy. Numerical results agree well with experimental results and it is shown that the sharp interface CLSVOF method enables one to reproduce the bubble formation process for a wide range of inflow gas velocities. From numerical results, one can improve their understanding of the mechanisms regarding the dynamics of bubble formation. For example, it is found that for some sets of parameters that the bubble formation process reaches steady state after several bubbles are released from the nozzle. At steady state, bubbles uniformly rise freely in the viscous liquid. It is observed that the fluid flow around a formed bubble has a significant role in determining the overall dynamic process of bubble formation; e.g. the effect of the fluid flow from the preceding bubble can be seen on newly formed bubbles.     

Viscid contributions to the hydrodynamic flows past a rising spherical gas bubble with a time-dependent radius

We study the effect of the viscosity on the hydrodynamic flow fields past the interface of a spherical deforming gas bubble impulsively started at a constant velocity in a viscous liquid of large extent at rest. Exact solutions for the unsteady inner and outer flow fields within the boundary layers are obtained making appropriate scalings on the position, velocity and time variables in the non-linear Navier-Stokes equations. These theoretical results apply to any slowly deforming fluid sphere, whatever the time-dependence of its radius, provided that the internal circulation is complete, the flow separation is negligible, the Reynolds numbers are large and the bubble retains its spherical shape. A numerical application to the case of deforming air bubble in water is discussed.     

Certain hydrodynamic characteristics of the evolution of a solitary spherical bubble in the finite compression regime

The characteristics of unsteady incompressible fluid flow around a gas or vapor bubble compressed to a finite size are theoretically investigated. The velocity on the bubble boundary, the integral flow-rate and kinetic energy, and the form of the pressure distribution in the fluid are analyzed. Certain general qualitative regularities independent of viscosity, surface tension, and the intensity of the heat and mass transfer processes are revealed. The general results obtained are illustrated and specified with reference to a simplified polytropic model.     

Jet impingement on cylindrical cavity: Conical nozzle considerations

In laser gas-assisted processing, the assisting gas emerges from a nozzle and nozzle geometric configurations alter the flow structure and heat transfer characteristics in and around the section processed. In the present study, the influence of nozzle geometric configurations, cavity diameter and depth, on flow structure and heat transfer rates from the cavity is investigated. A cylindrical cavity with two diameters and varying depths is accommodated in the simulations. Air is used as assisting gas while steel is employed as workpiece material. A numerical scheme using a control volume approach is accommodated to discretize the flow and energy equations. It is found that flow structure changes significantly for large diameter cavity. The influence of the nozzle cone angle on heat transfer and flow structure is more pronounced as the cavity depth increases.     

弹道枪不同水深下全淹没式发射膛口流场的数值分析

为了解弹道枪水下全淹没发射时,水深对膛口流场演化特性的影响,建立了二维轴对称非稳态膛口流场模型。采用流体体积函数多相流模型、标准k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,结合动网格及用户自定义函数技术,对水下全淹没发射膛口流场演变全过程进行了数值模拟。搭建了弹道枪水下可视化射击实验平台,对12.7 mm口径弹道枪在水中全淹没式发射时膛口流场演化过程进行了观测,并验证了数值模型的合理性。在此基础上,对比了不同水深下（h=1～100 m）膛口流场的演化特性。通过对比发现：在不同水深条件下,在膛口流场影响范围内,弹丸膛外行程随时间的变化均满足指数函数规律;水越深,膛口流场典型波系结构形成所需时间越长,且燃气在膛口轴向马赫盘处的温度和压力峰值越低,压力振荡幅度也越小,更快趋于平稳,但在径向上,水越深,压力振荡持续时间越长。

     

自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究

本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台,对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究.实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡,通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉.为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制,对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性.基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据,阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性.研究结果表明:(1)在相同输入电压下,液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小,当输入电压为400 V时,液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍;同时,液氮单空泡经历了膨胀阶段-收缩阶段-振荡阶段以及上升阶段的演化过程.(2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导,没有明显的塌陷现象,收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍.(3)在液氮空泡振荡初期,空泡相界面传热增强, Rayleigh-Taylor不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应;在整个振荡阶段,空泡界面附近存在破碎的小泡.当输入电压较高...     

缓变主流中三维气泡的非线性振动

空化现象和水下噪声机制与液体中气泡的动力学行为密切相关．在无粘势流的假定下，采用多参数摄动分析，研究了缓变主流中三维气泡的非线性体积模态振动．推导了关于缓变泡形展开的各阶扰动方程，获得了一阶振动的演化方程和一些特殊情况下的解析解；并采用高阶有限元离散的边界积分方程方法，对平面固壁和自由面附近三维气泡的固有频率进行了数值计算