不同入水攻角下高速射弹的流固耦合特性

高速入水时弹体结构响应(变形)大小关系射弹能否安全入水。当前,基于刚体模型的高速入水数值计算方法无法深入揭示初始扰动影响下射弹入水过程中复杂多相流、水动力与弹体结构响应等之间的相互耦合作用规律。为解决上述难题,基于流体力学和结构动力学,建立一种高速入水流固耦合数值计算方法,重点研究攻角对某型射弹高速入水过程的影响,分析攻角影响下空泡演化、冲击载荷、弹体运动与结构变形的相互耦合作用机理。研究结果表明:随攻角增大,弹体下表面与空泡壁面逐渐产生强烈撞击,迫使空泡壁面弯曲;对该型射弹,当攻角>3°时,射弹会因尾翼拍击液面出现第2次载荷峰值,此时射弹因沾湿产生弯矩,迫使射弹出现塑性应变,随入水深度增加,射弹形成明显的尾翼弯折,因沾湿产生的表面压力最大值超过10 MPa;攻角为2°时,射弹虽因弹头尾翼同时受力产生弯矩,但内部应力未超过弹体材料的屈服强度,未出现塑性变形,因此,对该型射弹,其安全入水攻角≤2°。

攻角和着角联合作用下弹体侵彻混凝土靶的弹道特性研究

为探究攻角和着角联合作用下弹体侵彻混凝土靶的弹道特性,基于LS-DYNA有限元软件,在速度1000 m/s时以不同攻角和着角对弹体侵彻混凝土靶进行数值模拟。重点研究了攻角和着角对弹体轴向侵彻深度、径向偏移距离和偏转角的影响,通过对弹体侵彻过程中受力情况的研究,主要对轴向阻力和径向阻力以及弹体所受偏转力矩进行分析,得到其对弹道的影响规律:随着着角的增大,弹体偏转角受攻角影响呈显著增加趋势;着角在一定的范围内,初始方向与着角相反的攻角对弹体侵彻能力有提升作用,初始方向与着角相同的攻角对侵彻能力有减弱作用;当着角过大时,无论初始攻角的方向与着角是否相同,均会对侵彻能力有减弱作用,且随着角度的增加更明显。研究结果可以为钻地弹的研制提供参考。

着角与攻角联合作用下薄芳纶层合板抗平头弹侵彻性能

为探究着角和攻角对薄芳纶层合板抗平头弹侵彻性能的影响,建立了三维有限元仿真模型,对4 mm厚芳纶层合板在着角单独作用下以及着/攻角联合作用下的弹道行为进行了计算.通过弹丸的剩余速度、靶板的极限弹道速度及穿孔能量阈值反映了芳纶层合板的抗侵彻性能,分析了其在不同工况下的变形与破坏机理.结果表明:薄芳纶层合板的弹道极限速度随初始着角的增加先减小后增大;随着入射速度的增大和初始着角的减小,着角改变量和攻角改变量均有减小的趋势;对于固定的着角,负攻角不利于子弹侵彻,正攻角有利于侵彻.

基于外弹道和姿态陀螺的导弹攻角和侧滑角解算方法

为获取导弹攻角和侧滑角信息,提出一种基于外弹道和姿态陀螺信息的导弹攻角和侧滑角解算方法。通过导弹外弹道计算导弹弹道倾角和弹道偏角,综合弹上姿态陀螺信息,解算出导弹攻角和侧滑角,用于分析导弹受控特性及弹体气动参数辨识,进一步优化导弹控制系统设计参数。结果表明:本方法简单、有效,可推广应用到所有弹上有姿态测量装置,且可实现外弹道测量的制导弹药飞行攻角和侧滑角分析。

直升机复合装甲典型攻角下的防弹能力分析

武装直升机作为战场的战略攻防利器,使用装甲是最典型的防护方式。目前,直升机装甲的防护能力均是以弹体垂直入射时可防护的距离和可防护的最大口径弹种表示,但研究发现,实际状态下弹体几乎不可能以垂直入射的方式实现打击,所以装甲的实际防护能力并未被最大限度地发挥出来。文章通过设计包线试验的方法探究了直升机现用的陶瓷复合装甲在典型攻角下的防护规律,并进行了分析研究,提出了可能的装甲防护力提升设计思路,在倾斜15°的布置方式下,防弹性能可提升19.1%左右。

基于自燃对流与三维平板大攻角绕流模型的纸螺旋动力扭矩研究

本文以蜡烛自燃空气对流与平板大攻角绕流为理论基础,对2022年青年物理学家锦标赛(IYPT2022)设计题“蜡烛动力涡旋机”(Candle Powered Turbine)针对性地开展了理论分析、实验研究和数值模拟分析。本文根据蜡烛燃烧的纹影法图像对蜡烛流场进行简化,建立了蜡烛自燃空气对流模型,并将平板大攻角绕流模型进行推广应用,得到了纸螺旋在蜡烛流场中所受扭矩的理论公式;通过实验探究了环带宽度、轴向倾角对纸螺旋扭矩的影响规律,并获得了最优化参数;对最优化装置进行了CFD数值仿真分析和实验研究,仿真结果和实验结果较好地吻合,验证了本文所提出的纸螺旋在蜡烛燃烧形成的空气对流场中运动的扭矩理论的准确性。本文的贡献是,把燃料燃烧形成的自然对流作为动力应用在旋转装置,对余能利用具有潜在的应用价值;三维平板大攻角绕流模型的建立为雷诺数在104~106范围内时三维平板类大攻角低速绕流的总压力计算提供了简便的计算方法。

面向偏航最小的风帆助航船攻角优化策略研究

风帆攻角决策是风帆助航船充分利用风能的关键。在船舶航行过程中,风帆产生助推力的同时也产生侧推力,引起船舶偏航和能效降低。针对该问题,本文引入侧推权重因子,建立由助推力系数与侧推力系数组成的双线性攻角决策函数,以最小航线偏离角为优化目标,利用粒子群算法求解适用于该航线的最优权重因子,从而得到在不同相对风向角下的最优攻角,既实现风帆助推船舶航行,又不依赖操舵而避免船舶偏离航向。与传统基于最大助推力法的攻角策略相比较,在相同航行时间内,航向纵向位移略有提升,侧向位移和航线偏离角大幅减小,在相对风向角波动时攻角变化较平缓,有利于风帆操纵。本文研究可为提高风帆助航船的能效提供参考。

高航速流动不分离外形带攻角流动特性分析

边界层发生分离的两个必要条件是流体粘性和正压梯度,设计外形使其表面具有尽量大的负压梯度区域,延缓边界层转捩和流动分离,从而达到减阻目的。本文采用基于细长体理论的流动不分离外形设计方法,设计临界速度为100 m/s的航行体外形,运用数值仿真分析其在不同速度和攻角情况下的流动特性。研究发现,0°攻角下仿真得到的压强分布与理论计算结果一致,摩擦阻力与估算结果一致,证明可以通过外形设计使航行体边界层在高雷诺数条件下保持层流流动不分离状态,以达到大幅减阻的目的;小攻角不会破坏航行体表面流体附着状态,但攻角会使流动出现横向漩涡,边界层发生转捩,使阻力明显增加,但减阻效果仍然存在。

攻角对临近空间飞行器侧喷射流红外辐射特性影响数值模拟

临近空间飞行器侧喷射流干扰效应对目标红外辐射特性规律影响受到广泛关注。文中以典型锥柱裙飞行器为研究对象,预测飞行器典型飞行工况(20 km@5 Ma)不同攻角下的绕流场、侧喷流和壁面温度,结合窄谱带模型处理高温气体辐射物性参数,采用视在光线法求解辐射传输方程,分析攻角对侧喷流的复燃及目标在不同谱带和不同观测角度下红外辐射特性的影响。结果表明:随着攻角由负转正射流复燃程度降低,α=10°较α=-10°偏低176%;侧喷流在2.7μm和4.3μm两个特征峰值波段辐射显著,其他波段内目标辐射主要来源于本体;目标辐射强度在俯视观测角度下随攻角由负转正而减小,在侧视观测角度下攻角出现引起辐射强度降低,α=±10°较α=0°偏低6.8%。该研究可为临近空间飞行器侧喷射流相关的目标特性识别提供理论参考。

小攻角下波纹壁对圆锥高超声速边界层稳定性的影响

为了获得高升阻比,高超声速飞行器飞行通常带有一定攻角。波纹壁是在0°攻角条件下可以延迟高超声速边界层转捩的潜在手段,但在带攻角条件下波纹壁是如何影响不稳定波发展的目前尚不明晰。为研究在小攻角条件下波纹壁对高超声速边界层内不稳定波发展的影响,在Mach数为6的Ludwieg管风洞中采用高速红外相机和高频压力传感器(PCB)对1°攻角光滑和波纹壁尖锥进行了边界层稳定性的实验研究,重点分析了不稳定波沿不同方位角和流向位置的发展。实验结果显示:1°攻角条件下主导高超声速边界层转捩的不稳定波是第2模态波。1°攻角条件下,波纹壁在45°方位角下对转捩没有延迟效果,而在90°、 135°和180°方位角下波纹壁对转捩具有促进效果。

不同高度对0°~15°攻角气动光学成像偏移的影响

飞行器在高速飞行过程中,头部产生湍流流场,该流场使机载光学系统接收的目标图像发生偏移、模糊和抖动,这种气体流场对光学传播和光学成像的影响或作用称为气动光学效应。文中研究了典型钝头飞行器在不同高度对0°~15°攻角气动光学成像偏移的影响。使用软件对一种典型的钝头飞行器进行了建模和网格划分,基于计算流体力学使用Fluent作了大量的模拟计算,获得了飞行器不同工况下的周围的流场密度。通过密度和折射率的对应关系,得到了飞行器周围相应的折射率分布。使用反向光线追迹和停止准则,获得了成像偏移数据。结果表明:随着高度的增加,飞行器周围的大气密度减小。尽管不同高度的光线传播路径折射率分布图有着相同的变化趋势,但却有着不一样的变化程度。高度越大,光线传播路径上的折射率分布越平坦,成像偏移越小。从成像偏移斜率来看,随着高度的增加,成像偏移斜率越接近于0;随着攻角的增加,成像偏移斜率在往0的负方向增大。从成像偏移斜率的角度分析,低高度和大攻角都会引起较大的成像偏移值的变化。

升力式面对称运载器大攻角颤振分析方法研究

升力式运载器采用面对称气动布局,结构频率低,易与气动耦合发生气动弹性问题,舵翼面颤振特性的准确分析对型号飞行的成败具有重要意义。当前针对经典颤振的数值分析方法发展较为成熟,对亚声速及超声速域内小攻角飞行状态下的颤振特性预示具有较高精度。然而,对处于大攻角气动干扰下气动控制面的颤振特性分析,工程气动力模型的颤振分析方法难以给出准确的预示结果。本文分别采用工程气动力模型方法和CFD方法对升力式布局面对称运载器颤振特性进行分析,对传统工程方法在此类飞行器大攻角颤振分析中的不足进行了分析,并采用CFD/CSD耦合方法准确预示运载器大攻角飞行时的颤振特性。

大跨桥梁分离式三箱梁附加攻角效应研究

为研究附加攻角效应对分离式三箱梁颤振性能的影响,结合节段模型风洞试验和理论计算方法获得初始风攻角下的附加攻角,并通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法求解初始风攻角下的颤振临界风速.结果表明,分离式三箱梁的初始风攻角及箱梁之间的横梁对附加攻角有较大影响,节段模型在0°~+7°风攻角下存在十分显著的附加攻角效应,且表现为扭转振幅快速增大的硬颤振.节段模型自由振动风洞试验难以直接获得分离式三箱梁在小风攻角下的准确颤振临界风速.对于主跨3300 m的悬索桥,0°初始风攻角下在颤振失稳前的静风附加攻角达到+7°以上,颤振临界风速大大降低,气弹稳定性得不到充分发挥.因此,对于采用分离式三箱梁断面的超大跨径桥梁,在抗风设计中应对其附加攻角效应予以重视.

基于CFD的潜体大攻角水动力系数计算方法研究

为完善潜体在强机动过程中出现大攻角时的数学运动模型,采用六面体非结构化网格计算了潜体大攻角时的潜体受力情况,并回归得到了潜体水动力系数。通过对潜体主附体结合部、推进器附近区域及围壳、艉操纵面等附体进行局部网格加密,采用流体计算软件,应用SST k-ω两方程模型,分别从潜体计算域大小、网格划分形式、网格数量、湍流模式以及壁面流动处理等方面开展了潜体大攻角水动力数值计算研究,建立了潜体强机动时大攻角水动力数值预报方法,得到的水动力系数与实验数据相比符合较好。

帆数量对低攻角多翼帆系统推进性能的影响

基于雷诺平均的湍流处理方法,采用SST k-ω方程湍流模型对控制方程进行封闭,时间离散格式为2阶。使用STAR-CCM+商业软件分析帆数量对多帆系统推进性能的影响,并根据国际拖曳水池会议(ITTC)的不确定度分析规程进行数值不确定度分析。将仿真数据与理论方法和试验获得的数据进行对比以保证计算结果的可靠性。研究结果表明:多帆系统风帆数量增加时,其风帆助航力有明显提升,总推力增加,有更好的助航效果;但推进性能并不是随风帆数目的增加而线性增加,具体的风帆数目确定还需综合考虑稳性、操纵性等其他因素。

攻角对超空泡射弹波浪环境入水影响研究

为获取超空泡射弹不同攻角入水时的空泡演化与运动特性变化规律,基于RANS方程、Schnerr-Sauer空化模型、k-ε湍流模型,采用重叠网格技术,针对入水速度400 m/s不变,入水攻角不同时,静水与波浪环境下的超空泡射弹入水过程开展了数值模拟研究。研究结果表明:攻角大于2°时,弹丸将在入水过程中出现尾拍现象,尾拍时尾翼划破空泡壁,会造成空泡在此区域的扩张,并对弹道稳定性产生不利影响;尾拍现象发生时,阻力系数和升力系数均会上升,且攻角越大,上升的幅值越大;在波浪环境下,弹丸入水过程中仍然会发生尾拍运动,但与静水环境相比,在尾拍发生的时间上有一定区别。攻角为正时尾拍出现的时间提前,反之则尾拍出现的时间延后。

考虑地震攻角的曲线梁桥易损性及通行能力评估

为探究地震攻角对曲线梁桥地震易损性的影响,采用曲线梁桥参数化建模方法建立有限元模型,通过增量动力时程分析和概率地震需求分析生成桥梁-地震动样本对训练集、验证集和测试集。基于反向传播神经网络(BPNN)、宽界限法和串并联概率理论建立曲线梁桥构件—单体—网络三个层次的地震易损性快速计算和评估模型,对比分析地震攻角对曲线梁桥的易损性影响规律,并对区域桥梁网络震后通行能力进行快速评估。结果表明,地震攻角对曲线梁桥的动力响应、地震易损性影响明显,忽略地震攻角影响可能会对交通网络的震后通行能力评估带来较大误差。

刚性弹体带攻角斜侵彻贯穿混凝土靶板的理论模型

为对弹体带攻角斜侵彻贯穿混凝土靶板弹道和弹体姿态进行快速预估,在开坑阶段基于弹体表面应力分布确定弹体载荷,将攻角作用最明显的开坑阶段细分为弹头进入阶段和完全进入后的剩余开坑阶段,同时考虑斜侵彻时自由表面效应及弹靶接触区域变化对弹体受力的影响,建立弹体带攻角斜侵彻混凝土靶的开坑模型。结合弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型中隧道和剪切冲塞阶段模型,构建刚性弹体带攻角斜侵彻贯穿混凝土靶板理论模型,出靶余速与偏转角计算结果与实验吻合较好。模型对给定工况的计算结果表明,在一定倾角条件下,正攻角会加剧弹体的偏转并降低弹体的侵彻能力,负攻角会抑制弹体的偏转且适当的负攻角可提高弹体的侵彻能力。

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25,0.5,0.75,1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°~8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°~8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.

攻角对杆状弹体入水侵彻特性影响数值分析

为探究带攻角杆状弹高速入水的侵彻特性,采用LS-DYNA中的流固耦合算法,研究不同攻角下弹体速度、长径比对弹体入水后的剩余特性、空泡形状及弹体姿态的影响。结果表明:长杆弹入水后会发生弹体姿态翻转,经过一段时间弹体姿态稳定,而攻角较小时会发生二次翻转现象;长杆弹带攻角高速入水后弹头将产生非对称的墩粗侵蚀变形、整体塑性弯曲变形及2种变形模式的耦合;长径比小的弹体其破坏能力较小,弹道偏航较小,但姿态偏转较大;长径比较大的弹体破坏能力强,弹体姿态偏转较小,但弹道偏航距离较大;长径比越大的弹体对攻角的变化越敏感。