材料密度对超空泡射弹尾拍特性的影响

水下超空泡射弹的尾拍运动对其弹道稳定性和作战效能具有重要影响,为研究不同材料密度对射弹尾拍运动特性的影响,采用动网格移动计算域技术,建立了超空泡射弹数值计算方法和模型,分别计算分析了铝合金、结构钢及钨合金3种不同材料超空泡射弹的弹道特性与流体动力特性,获得了材料密度对射弹尾拍运动的影响规律。结果表明:在出膛动能一定的条件下,不同材料密度的射弹攻角、俯仰角速度和流体动力参数均呈周期性变化;材料密度越大,射弹尾拍运动周期越长,速度衰减越慢,对垂直方向速度影响越小。对比3种材料的射弹,采用结构钢材质的射弹表现出更为优良的弹道性能。

非回转体航行器高速斜入水过程研究

非回转体跨介质航行器能够更好适应空中高超声速飞行工况,但是在入水过程中的流体动力特性及运动稳定性存在新的问题。采用VOF多相流模型、Realizable k-ε湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型,结合重叠网格技术,建立了非回转体入水过程运动与多相流场耦合的仿真方法,验证了所建模型的准确性,对横截面短长轴之比不同的航行器开展了斜入水过程仿真计算。结果表明:横截面短长轴之比虽然不会改变空泡形态,但是通过影响泡体相对位置关系对航行器的流体动力特性和运动特性都有影响;随着短长轴之比的减小,航行器的运动稳定性逐渐增加;但短长轴之比过小,则会影响减阻效果,并对结构安全性不利。

衡重参数对超空泡射弹有效射程的影响

为研究衡重参数对超空泡射弹有效射程的影响,基于流体体积多相流模型和刚体空间运动方程组,建立超空化流场和刚体运动相耦合的仿真方法,通过与文献[23]试验结果对比验证仿真方法的合理性。通过仿真计算研究超空泡射弹的水下弹道运动特性,获得质心位置、质量等典型衡重参数对射弹有效射程的影响规律。研究结果表明:超空泡射弹的水下弹道具有稳定尾拍现象,尾拍的波长和振幅近似恒定;后移质心可有效增加超空泡射弹的水下增程,质心位置后移9%,水下射程提高14%;增加射弹质量可显著增加水下射程,质量增大150%,水下射程提高70%。

低弗劳德数通气超空泡初生及发展演变特性

为了研究通气超空泡初生及发展过程中空泡形态及泄气模式的演变特性,采用分相流模型和SST湍流模型,考虑通气压缩性和重力效应,建立了通气超空化三维数值计算模型,并通过试验数据进行了校核和验证,研究了在通气率和弗劳德数大范围变化下的通气超空泡生成及发展过程.结果表明:回射流模式超空泡发展过程非常不稳定,空泡初生时伴随空泡的断裂及分离,空泡发展过程中存在气/水混合物回流现象,超空泡形态难以预估.双涡管模式超空泡先以回射流模式发展,当超空泡充分发展后,空泡闭合模式转变为双涡管方式,空泡形态及泡内压力相对比较稳定.接近超空泡泄气转变临界时,超空泡闭合模式在双涡管和回射流之间相互转变,导致超空化流动及超空泡形态变化更加复杂.

并列超空泡射弹弹道特性研究

为了研究不同间距并列射弹对射弹的流体动力特性和弹道特性的影响,文中基于流体体积函数(VOF)多相流模型,采用多重参考系和动网格及移动计算域技术,建立射弹入水仿真模型,对单射弹和并列射弹的入水自由减速过程进行数值仿真。结果表明:并列发射工况下,射弹受到侧向力,有攻角航行时空泡形态发生明显偏移,射弹更容易穿刺空泡,并且并列间距越小,穿刺距离越长;并列射弹的阻力系数明显高于单发射弹,当并列间距为75mm时,阻力系数增加34.92%;并列射弹的运动稳定性受到并列间距的影响,在并列间距为50 mm弹径工况中,并列射弹发生颠覆,弹道失稳;随着并列间距的增大该影响逐渐减弱,当并列间距为100 mm弹径时,并列射弹弹道稳定。研究结果可为并列超空泡射弹的工程应用提供参考。

水下超声速射流对上浮水雷受力特性影响研究

为了研究水下超声速喷射流流场压力脉动特性及其对上浮水雷的受力影响特性,基于VOF(Volume of fluid)多相流模型,建立了上浮水雷在不同工作状态(欠膨胀、完全膨胀、过膨胀)下的数值计算模型,研究了水下燃气喷射流对上浮水雷的受力特性影响。结果显示,欠膨胀工况时,发动机推力平缓,平均推力约为12.2kN,上浮水雷受力未出现负值;完全膨胀时,射流发生颈缩、胀鼓等现象的位置距离雷体较远,导致发动机推力及水雷壳体受力振荡不剧烈;过膨胀工况时,射流发生颈缩、胀鼓等现象的位置距离喷管较近,发动机推力发生剧烈脉动,产生21.7%的振荡幅度,胀鼓现象发生时,流场压力显著降低,使得上浮水雷后体受力减小,壳体阻力增大,上浮水雷最大产生27kN的负推力。

自旋运动对射弹入水空化及弹道特性的影响

无尾翼超空泡射弹由舰载火炮发射,出管后通过高速自旋维持空中弹道稳定,用于对抗鱼雷、蛙人等水下目标。为研究自旋运动对超空泡射弹入水过程空化及运动特性的影响,基于多相流模型和重叠网格技术建立了适用于射弹小角度高速自旋入水工况的数值模型,对旋转射弹及无旋射弹以不同姿态入水的超空化流场及流体动力特性进行仿真计算。结果表明:所建模型对于入水载荷、旋转横滚力矩、入水空泡的仿真结果均与实验结果吻合;入水初期自旋运动可以促进自然空化的发生,空泡呈现不对称特性;自旋运动对射弹入水质心运动规律无显著影响;自旋运动会减小射弹俯仰角变化,有利于维持射弹入水纵平面稳定性。