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。     

转弯运动通气超空泡形态及流场结构数值研究

超空泡航行体机动过程中空泡形态的预测是目前该领域亟待研究的问题。文章在两流体多相流模型的框架内建立了用于求解通气超空泡流转弯机动的三维数值模型。通过求解RANS方程和SST(Shear Stress Transport)湍流方程,预测了圆盘空化器转弯机动条件下生成的通气空泡形态,并同Logvinovich独立膨胀原理的计算结果进行对比,验证了文中数值模型的有效性。在此基础上,分析了转弯半径对通气空泡的形态尺度的影响,对比研究了不同弗鲁德数条件下通气空泡的流场结构。     

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。     

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.     

超空泡航行体自导作用距离需求分析

为开展自导超空泡航行体的研究,评估其最短自导作用距离尤为重要。本文在建立超空泡航行体动力学模型的基础上,计算出其基于主动倾斜转弯控制策略下的最大机动角速度为6°/s,并以此为基础研究了多种态势条件下的超空泡航行体追踪目标需用最短自导作用距离,分析了航行体初始段航向、初始相对距离等因素对需用自导距离的影响。仿真结果表明,弱机动条件下的超空泡航行体需要的自导作用距离均在1 km以上,以目前技术条件无法满足其导引需求,故在未来一段时间内,以超空泡鱼雷为代表的超空泡航行体武器仍应以直航攻击为主。     

水下超高速航行体空化器流体动力特性数值研究

空化器是实现水下超高速航行体空泡生成及稳定控制的关键部件。论文建立了空化器流场数值计算模型,较为全面地研究圆盘型、球头型和开孔型3种型式空化器的流场特征,评估其升、阻力特性,通过可视化手段分析空化器流场细节,考察球头和开孔结构对空化器的影响。研究结果表明：圆盘型空化器在加装球头和开孔后其迎流面压力系数分布会改变,在凸出的球头处形成局部压力峰,而且在空化器球头处和背流面形成旋涡区,最终使空化器的有效升力减小。研究成果对超高速航行体流体动力性能研究及空化器部件设计具有重要参考价值。     

超空泡发展过程研究以及对两种研究滑行力方法的评估

采用两流体模型以及DES湍流模型对通气超空泡发展过程以及泡内压力变化规律进行了三维数值仿真。模拟了两种泄气方式:回注射流和双涡管泄气方式。并基于文中数值方法预测通气超空泡方面的能力,对两种研究航行体滑行状态的方法进行了评估:一种方法是在水槽中的定轴俯仰运动,另一种方法是类似于约束模实验的自由俯仰运动,两种方法都采用了网格变形技术。结果表明在相同条件下,后者可以很容易得到超空泡航行体的滑行状态而前者较难获取滑行状态,尽管在水槽中前者更易实现。文中的数值方法可以用来进一步研究滑行状态并给出一些有意义的结论。     

流体可压缩性对高速入水载荷的影响研究

火箭助飞鱼雷会遭受入水带来的恶劣跨介质力学环境,本文基于均质平衡流和VOF多相流理论建立气-液-汽三相耦合流动数学模型,并通过嵌套网格技术,实现多相流与6-DOF结构体动力学耦合的高速入水分析,研究气/液相可压缩性对结构体高速入水载荷的影响,并进一步分析不同入水速度（100～300 m/s）和不同横升角（10°,40°）对应的流体可压缩性影响,从而对可压缩性的影响行较全面的分析,研究结果有助于清晰认识高速入水过程流体可压缩性的作用机理,可用于指导相关的降载头型及缩比试验等设计。