高速射弹小角度入水数值模拟研究

采用基于RANS方程的CFD方法,结合VOF多相流模型和动网格技术,并考虑水的可压缩性,研究带尾翼射弹高速小角度入水时的空泡发展和弹体姿态变化,分析入水角和入水攻角对射弹运动稳定性的影响。研究发现,射弹入水初期空泡呈现不对称性,锥段部分区域沾湿,导致弹体抬头而形成正攻角,加剧了空泡的不对称性,从而引起跳弹和失稳。随着入水角增大,射弹入水稳定性增强。负攻角可以增强射弹入水稳定性,稳定性随负攻角的增大而增强;在正攻角下射弹稳定性随着攻角增大呈现先增强后降低的变化。     

入水参数对航行体亚音速入水过程影响的数值研究

基于CFD方法，求解轴对称航行体亚音速入水过程流场的非定常RANS方程，探讨航行体入水速度、入水角和攻角等参数对入水过程流体动力、运动姿态及空泡形态的影响。研究表明：（1）入水速度对入水冲击载荷有显著影响，而且影响入水空泡的长度；（2）入水角主要影响入水冲击阶段的流体动力，对于不同的入水角，在相同的入水距离时，航行体空泡形态除自由面附近外基本保持一致；（3）入水攻角会加剧航行体的姿态变化，严重影响空泡形态；（4）自由面附近的空泡形态受气体流动及压力变化的影响，但入水2倍弹长距离之后的空泡形态受自由面影响较小，可应用理论公式快速计算空泡形态。论文研究成果可为高亚音速入水降载研究提供参考。     

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。     

速度势展开法求鱼雷斜撞水冲击载荷

以速度势展开法分析平头鱼雷斜入水的冲击载荷，给出了撞水压力与速度、入水角、攻角等的关系式。并与历来采用的一给声压值及Ｅｒｏｓｈｉｎ实验式作了对比。     

破片高速侵彻防护液舱剩余特性研究

为探讨破片高速侵彻液舱后的剩余特性,通过弹道试验,并结合有限元分析软件Ansys/Ls-Dyna,比较破片侵彻垂直和倾斜液舱后的瞬时余速和运动轨迹。试验结果表明:破片穿透液舱前板初期,会产生空泡和射流,空泡大小和射流强度与破片入水初速有关,而空泡形状和射流方向则受液舱的倾斜角度影响;破片穿透液舱前板后,在水中的运动轨迹会发生偏转,偏转方向与破片入水初速有关。     

圆盘水面弹跳过程运动特性数值研究

本文基于CFD方法对圆盘撞水弹跳过程的运动特性进行了研究,对三种典型撞水运动状态进行了模拟,数值结果与文献中的试验结果吻合良好.基于计算结果,获得了圆盘可以成功弹跳的初始参数组合范围.圆盘弹跳过程中,前方会产生一股射流,其脱离圆盘的射出速度可以达到入水速度的两倍左右.随着圆盘自旋速度的增加,圆盘受到的流体动力逐渐增加,但速度衰减也随之逐渐增加.相对较小的初始倾角和入水角总是有利于圆盘撞水后的弹跳,但过小的初始倾角可能会不利于连续多次弹跳过程.对圆盘连续弹跳过程的数值模拟结果表明,圆盘运动路线并非一直向前,而是受自旋影响运动方向有一定程度的偏转,圆盘第一次撞水弹跳的高度和距离远大于后面几次的弹跳过程.     

圆盘水面弹跳过程运动特性数值研究（英文）

本文基于CFD方法对圆盘撞水弹跳过程的运动特性进行了研究,对三种典型撞水运动状态进行了模拟,数值结果与文献中的试验结果吻合良好。基于计算结果,获得了圆盘可以成功弹跳的初始参数组合范围。圆盘弹跳过程中,前方会产生一股射流,其脱离圆盘的射出速度可以达到入水速度的两倍左右。随着圆盘自旋速度的增加,圆盘受到的流体动力逐渐增加,但速度衰减也随之逐渐增加。相对较小的初始倾角和入水角总是有利于圆盘撞水后的弹跳,但过小的初始倾角可能会不利于连续多次弹跳过程。对圆盘连续弹跳过程的数值模拟结果表明,圆盘运动路线并非一直向前,而是受自旋影响运动方向有一定程度的偏转,圆盘第一次撞水弹跳的高度和距离远大于后面几次的弹跳过程。     

破片高速侵彻防护液舱剩余特性研究

为探讨破片高速侵彻液舱后的剩余特性,通过弹道试验,并结合有限元分析软件Ansys/Ls-Dyna,比较破片侵彻垂直和倾斜液舱后的瞬时余速和运动轨迹.试验结果表明:破片穿透液舱前板初期,会产生空泡和射流,空泡大小和射流强度与破片入水初速有关,而空泡形状和射流方向则受液舱的倾斜角度影响;破片穿透液舱前板后,在水中的运动轨迹会发生偏转,偏转方向与破片入水初速有关.     

并联射弹水下运动实验研究

采用基于气体动力的高速射弹并联发射装置,开展并联射弹水下运动的实验研究。利用高速摄像机得到射弹水下运动的画面,并通过图像处理技术提取出流场的演化过程以及射弹的弹道参数,在此基础上分析并联射弹空泡的演化机理和脱落特性,得到了射弹间距对并联射弹水下运动过程的影响。结果表明,并联射弹双空泡受彼此流域压力梯度的影响而表现出不同的演化特性。随着射弹间距的增大,双空泡之间的耦合影响逐渐减弱,下方射弹空泡尺寸逐渐增加,弹道稳定程度逐渐增强,异步并联射弹的尾迹脱落由分叉模式到靠拢模式最后为孤立模式。实验结果对水下多弹体的并联发射具有一定的指导作用。     

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。     

基于双向流固耦合的航行体高速入水研究

基于弹性体假设对直径为0.533m、以100m/s速度入水的航行体建立了高精度流固双向耦合数值模型,并试验验证了该数值模型的有效性。进行了不同角度的入水仿真,获得空泡及载荷的演变规律。主要结论如下：随着入水角减小,喷溅水幕的闭合时间推迟,空泡非对称性加剧;弹性体在入水时承受的冲击载荷峰值小于刚性体,且呈振荡衰减趋势;航行体应力峰值呈圆环形分布,应力在入水初期出现峰值并振荡衰减,而且在尾部出现应力集中;斜入水时,应力分布及头部纵向变形不对称。随着入水角的增大,应力和应变的峰值增大,应力波传播时间缩短。     

圆柱体高速入水数值模拟研究

为了获得圆柱体高速入水过程的演化规律,采用计算流体力学方法对其进行仿真模拟。应用VOF模型和重叠网格技术对圆柱体入水过程的运动情况进行计算,利用Schnerr-Sauer空化模型对入水空化现象进行模拟。仿真获得圆柱体入水过程的空泡演化过程、压力变化和速度衰减曲线。结果表明:圆柱体高速入水过程中,速度先急剧减小然后逐步平稳降低,空泡开始形成,圆柱头部边角处出现空化现象;在撞水时圆柱头部压力急剧增大,入水后压力迅速减小;入水过程与文献结果变化趋势一致,验证了模型的可靠性。     

潜射超空泡射弹出水的流体力学现象的实验研究

对带有超空泡的潜射射弹出水过程的流体力学现象进行了实验研究。用高速摄影机拍摄了射弹模型出水的全过程,清晰地观察了射弹在航行中空泡的发展、脱落与自由面相互作用及溃灭过程,分析了空泡对射弹出水姿态的影响。通过测量射弹的速度,发现出水时射弹的速度有时会呈突增现象,进一步了解了潜射射弹出水的复杂过程。     

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.     

垂直入水空泡内部压强分布数值研究

基于RANS方程,在VOF多相流模型中嵌入水蒸汽和水之间的质量输运模型成功实现了垂直入水空泡流的数值计算。通过与试验结果的对比说明了以上数值方法的可信性,并在此基础之上对带不同锥角头型圆柱体以不同速度垂直撞击自由液面后所生成的空泡内部压强分布进行了深入分析,结果表明:在入水空泡形成阶段,空泡内部压强会出现较大的降低现象,并随着空泡的发展压强值逐渐趋于稳定;空泡形成阶段空泡内部压强随入水物体头部锥角增加而增加;在开空泡阶段空泡内部压强低于环境压强,并随着入水速度增加而呈降低变化趋势,空泡内部压强轴向和径向分布较为稳定,没有较大的压强梯度;在空泡趋于闭合阶段空泡内部压强出现较大的波动,其变化规律与空泡内部空气复杂速度场变化规律相吻合。     

水下高速航行体并联出水过程的空化特性研究

基于VOF多相流模型,利用重叠网格技术实现高速航行体并联出水过程运动与流场的耦合求解,对不同并联间距下双航行体高速出水的多相流动特性进行数值模拟研究。对比单独出水和并联出水过程的超空泡演化特性,获得了航行体并联出水的无量纲纵向位移变化曲线、纵向速度衰减曲线、偏航角变化曲线。研究结果表明：并联高速出水过程中,航行体周围流场彼此发生干扰,抑制了超空泡内侧的扩展,而且当并联间距较小时,2个出水超空泡的尾部发生融合。相比单个航行体出水,并联出水过程中纵向速度衰减较快,使航行体的减阻性能小幅下降。并联出水航行体的弹道发生偏转,当并联间距较小时,航行体先发生向外侧偏转之后转向内侧偏转,当并联间距较大时,航行体只发生向外侧的偏转。     

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。     

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.     

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。     

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。