带尾翼射弹跨水中声速斜入水初期弹道数值研究

本文基于CFD方法针对带尾翼射弹跨水中声速斜入水过程开展数值研究，分析射弹入水过程中空泡形态、流体动力及运动稳定性等特性，获得入水速度、入水角、攻角、侧滑角等入水初始参数对射弹入水初期弹道的影响规律。研究发现：（1）射弹跨水中声速入水瞬间的冲击会在水中产生压力波并以声速向周围传播，射弹头部前方始终存在高压区，当速度超过水中声速时，弹头前会存在弱脱体弓形激波随弹体运动；（2）射弹斜入水过程会造成空泡以弹轴为界、上部分开口比下部分大的非对称发展特征；（3）对于本文射弹算例，入水速度主要影响入水轴向载荷，入水角通过影响尾翼撞水时间影响入水弹道的偏转，但其作用相对较弱，攻角和侧滑角通过尾翼撞水后产生的俯仰/偏航力矩成为影响弹道偏转的主要因素；（4）不同参数之间存在耦合影响，入水角的减小会增加正攻角下弹道偏转，降低负攻角下弹道偏转。     

超空泡航行体操纵过程流体动力特性数值模拟研究

超空泡航行体操舵过程会引起空泡变形,导致航行体流体动力学特性发生变化。为了了解超空泡航行体操舵过程中航行体的动力学特性,文中采用基于欧拉两流体模型的CFD数值模拟方法及动网格技术对超空泡航行体空化器、尾舵操舵过程以及航行体攻角变化过程中的空泡形态及航行体瞬态流体动力特性变化规律进行了研究。研究结果表明空化器操舵过程中空化器升力随偏转角基本呈线性规律变化,对航行体尾部滑行力的影响相对于攻角变化对滑行力的影响为小量;尾舵操舵过程改变了空泡尾部流场,对于航行体尾部滑行力会产生重要影响。     

小攻角下航行体三维非定常空泡形态理论预示方法

小攻角下水下航行体高速运动时会形成不对称、非定常空泡,空泡形态是水下流体动力及弹道设计的主要依据。该文基于空泡独立膨胀原理,考虑横流对独立空泡发展的影响,建立了带攻角状态下空泡形态理论计算模型。针对典型工况开展计算获得了航行体迎背流面空泡长度、空泡压力变化过程,并与试验数据进行比对以验证模型的合理性。     

基于CEL方法的射弹高速入水数值研究

针对超空泡射弹火炮武器在航空反水雷作战中的应用,本文基于耦合欧拉—拉格朗日(CEL)方法对射弹高速入水过程进行了数值模拟,重点对入水空泡的捕捉精度问题进行了研究。对于平头射弹而言,采用刚体壳单元进行几何离散、求解,由于双侧接触问题会使入水空泡的捕捉失真。基于对壳单元双侧接触形成机理的分析,获得了改善射弹高速入水空泡捕捉精度的方法。通过射弹入水后的超空泡形态与试验、理论研究结果的对比,表明了CEL方法对高速入水数值求解的有效性;进而通过射弹带攻角垂直入水尾拍过程的数值模拟,捕捉到了与水下发射试验相近的空泡不连续演化特征。最后,对数值模拟得到射弹尾拍载荷特性、射弹尾拍航行状态下姿态偏转角速度变化的分析表明,射弹尾拍对其水下弹道性能有重要影响。     

航行体不同角度入水的空泡流体特性研究

为研究航行体不同俯仰角入水空化演变规律及空泡流体特性,基于Realizable k-ε湍流模型和VOF多相流模型,建立航行体不同俯仰角入水数值模型,开展数值方法验证,数值模拟结果与实验测试结果吻合。基于此,研究航行体入水空化过程演变机理及其不同俯仰角水空泡内流体分布规律和空化阶段演变特性。研究结果表明,依据空泡内流体分布变化规律空化过程可分为空泡的表面闭合阶段、饱和阶段、深度闭合阶段和溃灭阶段;在入水速度一定的情况下随航行体入水俯仰角增大空泡生成速率降低、空泡内的水蒸汽体积增长率减小、水蒸汽体积含量峰值变小、空泡饱和阶段的空气体积变大,体积范围为6%～9%;空泡表面闭合无量纲时间随入水俯仰角从-10°变化到10°呈对数趋势增长,空泡饱和无量纲时间近似线性递减,空泡深度闭合无量纲时间基本不受俯仰角变化影响。     

小攻角下水下高速航行体超空泡流特性研究

为研究小攻角下水下高速航行体超空泡形态及水动力特性,利用商业CFD软件Fluent6.2,对小攻角下高速航行体超空泡流进行数值模拟,分析了空化数、攻角对水下高速航行体空泡形态以及水动力特性的影响规律.研究表明,攻角为能够明显改变空泡形态的轴对称性;攻角越大,航行体的阻力系数也增大,不利于超空泡的减阻,甚至会导致航行体的失稳.研究结果将为开展水下高速航行体超空泡实验研究提供理论参考.     

DES模型在开放腔体圆柱壳入水空泡模拟计算中的应用及评价

基于混合介质雷诺平均N-S方程,对开放空腔圆柱壳垂直入水运动过程开展了数值研究,得到了压力场、速度场分布,空泡波动、闭合特征,空腔气体涨缩规律,以及流体动力变化规律,并分析了空腔结构在入水运动过程中对流场结构和流体动力的影响。结果表明:液体随气体涨缩同步进出开放端;开放端局部形成波动的压力源和周期性的压力场、速度场分布;入水空泡呈现波动形态,其扩展程度与开放端液体流速相关;空泡内形成气体漩涡,随空腔涨缩往返进出空泡,对空泡闭合具有抑制作用;流体动力呈波动变化规律,频率与气体涨缩频率一致,幅值与气体涨缩程度成正比。开放空腔结构在入水过程中空腔内气体发生涨缩运动,对流场结构和流体动力产生周期性扰动作用,在一定程度上可以减缓冲击、维持空泡及运动的稳定性。     

超空泡航行体加速过程流动特性研究

超空泡航行体加速过程是航行体进入高速巡航状态的重要阶段。为了深入了解超空泡航行体加速过程中的流动特性,文中采用基于欧拉两流体模型的CFD方法以及基于相对运动的源项法对超空泡航行体全沾湿加速过程、通气加速过程进行了数值模拟,其中全沾湿过程主要研究了加速过程附加质量变化规律,通气加速过程研究了通气量、重力效应以及航行体攻角对空泡发展速度的影响。研究结果表明全沾湿加速过程中由于加速度较大,附加惯性力影响不能忽略;通气量、航行体攻角对超空泡生成速度均有较大影响,当速度达到50 m/s以上时,重力效应对空泡生成速度影响可以忽略。     

基于重叠网格法的结构物入水砰击研究

采用重叠网格法，对楔形体的入水砰击问题进行模拟。将数值计算结果与试验数据比较，验证了该数值方法的有效性；在此基础之上，探究斜升角、初始速度和下落高度对楔形体入水砰击的影响。初始速度和高度对楔形体入水过程中初次砰击压力峰值的影响很大。随着入水深度的增加，气体逸出，出现二次峰值；当斜升角大于等于30°时，最大砰击压力出现在楔形体底端附近。此外，速度对二次砰击峰值的影响要比斜升角的影响大。     

细长前锥段超空泡航行器高速入水的载荷数值模拟

以具有细长前锥段的超空泡航行器为计算对象,利用动网格技术进行数值模拟,获得高速入水过程中的冲击过载,分析不同入水速度、通气与否时入水冲击过载的变化规律.研究表明通气可以有效地降低轴向过载,但对于法向过载,降载若使用通气方法,还须考虑空化器直径.     

细长前锥段超空泡航行器高速入水的载荷数值模拟

以具有细长前锥段的超空泡航行器为计算对象,利用动网格技术进行数值模拟,获得高速入水过程中的冲击过载,分析不同入水速度、通气与否时入水冲击过载的变化规律。研究表明通气可以有效地降低轴向过载,但对于法向过载,降载若使用通气方法,还须考虑空化器直径。     

空化器倾斜角对超空泡流影响的三维数值仿真研究

为了研究空化器倾斜角发生变化时流体动力变化规律及其对超空泡航行体控制有效性的影响,对圆盘和圆锥空化器在具有不同倾斜角时进行了数值仿真,仿真结果表明:空化器锥角不同时生成的超空泡形态和空化器的流体动力特性都有很大的不同;不同超空泡航行体对于空化器的选择应该根据航行体自身特点进行选择;将圆盘和圆锥空化器进行组合可以改变单一种类空化器的外形和流体动力特性,增加对空化器选择的灵活性.     

空投水下滑翔机入水冲击载荷研究

因水下滑翔机内部结构精密,空投入水瞬间水下滑翔机的外壳和内部结构会受到巨大的冲击,直接造成水下滑翔机的损坏。针对上述问题,借助STAR-CCM+软件,采用重叠网格方法和VOF多相流模型,分析水下滑翔机的入水过程,计算不同姿态下的水下滑翔机入水时径向力、轴向力和速度变化,同时考虑水下滑翔机外形结构特点,对水下滑翔机外形结构进行减载优化。仿真结果表明：随入水攻角增大,水下滑翔机受到的径向力作用效果大于轴向力;随入水速度的增大,水下滑翔机入水冲击载荷增加。同时,首部导流罩采用较大长短轴比的椭圆曲线,翼板采用折叠翼、柔性翼等折叠结构能够具有明显减载效果。本文研究成果可为水下滑翔机空投条件选择和空投入水结构优化提供参考。     

大攻角水下航行体自然空泡流的数值模拟研究

基于相分数输运方程型的均质平衡流空化模型,采用有限体积法研制了大型空泡流计算程序,对大攻角下运行的水下航行体三维空泡流进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.首次将非线性涡粘湍流模式与基于Rayleigh-Pies-set方程的TEM型空化模型相结合,建立了自然空泡流的数学模型.采用基于SIMPLE的压力-速度-密度耦合修正算法、二阶精度三时间层格式以及基于延迟修正的高阶对流TVD格式.计算模拟了0.2～0.6空化数、4°～20°攻角的不同工况,得到的三维空泡形状及压力分布与实验结果相符.研究了大攻角下航行体周向上的空泡形态分布特征,给出了多种空泡尺度和升阻系数与空化数和攻角之间的关系.通过定量分析发现,空泡的不对称性导致航行体某些部位受力集中,表明高速带空泡运动的航行体在大攻角运动中其结构将受到巨大的水动力载荷.计算还发现,大攻角下的阻力系数与空化数之间的关系和零攻角条件下刚好相反,并根据空泡的不对称性从形状阻力与粘性阻力的关系上对这种现象作出了解释.     

小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响.本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法.     

小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响。本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法。     

基于SPH方法的救生艇入水砰击数值模拟

救生艇在自由抛落过程中将与水面发生砰击现象,伴随自由面的破碎、飞溅等强非线性特征,采用拉格朗日系统光滑粒子法(SPH)对该剧烈流动现象进行数值研究.首先对二维楔形体的自由落水过程进行模拟,并与试验结果进行了对比,验证了文中SPH计算程序在艇体入水问题上具有较好的可靠性.随后,考察了楔形艇体截面的舭部夹角对入水过程中自由面的演化过程及结构运动产生的影响.最后,将SPH方法拓展至三维救生艇的入水过程模拟研究中,分析了艇体入水后的自由面变化及艇体运动的三维特征.数值结果表明,SPH方法能够成功应用于具有复杂自由面变化的救生艇入水砰击问题研究.     

波流作用下圆柱体入水特性的三维数值模拟研究

结构在实际海况中入水受到多种载荷的共同作用,同时还伴随波浪作用的影响,因此该过程是一个强非线性的过程。针对结构在波、流中入水过程的特点,将入射波(波、流)引入非线性双渐进法,研究三维刚体圆柱体在波、流及波流联合作用下入水过程运动响应及姿态的变化,计算结果与试验结果符合得较好,非线性双渐进法适用于分析三维刚体波、流中入水问题。结果表明在近波面附近,结构受波浪作用明显,入水相位、浪级、流速及波流速度矢量差异对结构入水运动速度及轨迹影响明显。     

超空泡航行器流体动力仿真

利用超空泡技术来突破水下航行器的速度屏障.超空泡航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式完全不同于常规航行器,其受力状态也极其复杂.为了进一步分析超空泡流场中航行器受力特性,先描述了超空泡形态,分析影响超空泡变形的主要因素,然后对超空泡流场中的航行器出现的流体动力进行分析,并且对流体动力进行线性处理.本研究结果有利于航行器运动特性分析.     

基于ABAQUS显式CEL方法的球体入水数值研究

文章针对球体入水过程,采用显式动力学CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian analysis)方法,对球体入水空泡的演化、发展过程进行了模拟。CEL方法在入水、特别是低速入水模拟过程中,由于无约束自由面边界的影响,需对水介质的体积模量进行修正,进而通过与球体入水实验入水弹道数据的对比,表明CEL方法在流固耦合数值求解中的有效性。最后,提出了显式动力学数值求解入水冲击载荷在采样频率、欧拉-拉格朗日接触的网格离散,以及整体网格离散精度控制方面应遵循的基本原则。