超空泡技术现状、问题与应用

超空泡技术可以使运动体在水中的阻力降低90%左右,辅以先进的推进技术,运动体在水中将可以实现超高速的“飞行”．超空泡减阻技术对海战武器的研制产生了巨大的影响,目前,俄罗斯已经研制成功了速度达100m/s的“暴风”超空泡鱼雷；美、德、法等国都正在进行超空泡减阻技术的基础与应用研究；我国也于近年开展了超空泡技术的基础研究．本文综述了超空泡技术研究的现状、问题与应用．介绍了空化的基本原理、超空泡概念及其减阻机理；总结了空化器设计、通气超空泡的生成与控制技术、空泡稳定性及超空泡航行体稳定性技术等若干关键技术；回顾了国内外超空泡技术试验与数值模拟研究进展等．最后分析了大型超空泡武器研究的技术难点,并对超空泡技术领域的研究方向进行了展望．

跨声速运动对射弹阻力及空化特性的影响

为研究在跨声速运动过程中超空泡射弹的流体动力特性和流场的空化情况,基于流体体积分数多相流模型、Schnerr-Sauer空化模型、Realizable k-ε湍流模型、Tait液体状态方程和运动框架模型构建了可压缩超空化流场的数值模型,通过与文献[11]试验结果进行对比,完成模型验证,采用数值方法模拟在马赫数为0.202-1.281速度范围内射弹的外流场。研究结果显示：跨声速运动过程中超空泡射弹的阻力系数与流场驻点的密度峰值有关,随速度的升高而显著增大;激波对弹体附近超空泡的形态和尺度有显著的影响,亚声速工况下超空泡尺寸与理论值接近并且受速度的影响很小,超声速工况下超空泡的尺寸随速度的增加而大幅度减小。研究结果对超空泡射弹的外形设计和弹道预报有参考价值。

水下连发射弹的超空泡流动特性研究

基于Fluent流体仿真软件,采用用户自定义函数控制的动网格技术,对水下连发射弹的超空泡流场进行了数值模拟。通过与1组实验工况的比较,证实了所采用的数值模拟计算方法的可靠性。分析了两连发和3连发射弹情况下,超空泡流场的相互作用及其变化机理;得出了射弹超空泡无量纲长度在超空泡流场作用下的变化特点,计算出了流场的速度变化曲线和速度矢量等。研究结果表明:两射弹间的超空泡融合后,会在超空泡尾部区产生高速回射流并产生大量旋涡。这些旋涡引起的扰动能致使后续超空泡快速溃灭,表明了超空泡的极其不稳定性。后面的射弹进入前面射弹的空泡内后,其阻力系数达到最小值。当两连发超空泡射弹通过扰动区域时,前后超空泡都受到干扰,从而造成了它们的阻力系数增减。

超空泡射弹火炮武器应用现状研究

超空泡减阻技术作为一种革命性减阻技术,应用于火炮武器领域后,可使火炮武器系统具备水下作战能力。通过分析国外超空泡射弹火炮武器的发展现状,对超空泡射弹火炮武器反水雷作战的技术优势及其应用前景进行了探讨,分析了超空泡射弹火炮武器研制过程中的关键技术。超空泡减阻技术将实现火炮武器水下作战跨越式发展,对未来水下近程防御作战方式和装备发展产生革命性作用。

超空泡模型对固态介质侵彻及影响因素实验研究

为了获得超空泡模型对固态介质侵彻现象及相关力学特性的影响因素,采用实验方法对侵彻速度、弹头形状、通气等因素进行了研究。实验采用空气炮获得模型侵彻固体介质的初速,利用高速摄像系统获得直观的超空泡生成过程图像,通过图像处理获得侵彻过程运动参数。实验首先在匀质固体中成功获得超空泡模型侵彻现象,在此基础上进行了侵彻速度与不同头形的系列侵彻实验,获得了空泡形态、减速特性以及各影响因素的影响规律。借鉴水下通气超空泡的概念,设计了通气头形,并进行了不同通气量下的侵彻实验,验证了弹头通气有助于空泡生成的结论。

水下枪(炮)发射技术综述

针对现超空泡射弹发射技术的研究成果难以支撑其工程应用的问题,对水下枪炮发射技术进行探讨。介绍国内外鱼雷及导弹水下发射技术,对水下枪炮自动机进行分类,归纳水下枪炮发射的关键技术,总结超空泡射弹武器系统数值计算和实验研究成果,对水下枪炮发射技术的研究现状进行分析,并从水下射弹测速和水下自动机膛压测试技术方面展望了水下枪炮发射技术领域的研究方向。该研究有一定的实用参考价值。

基于6DOF的高速射弹入水超空泡特性研究

根据非定常不可压缩流动的N-S方程和k-epsilon湍流模型,利用VOF多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型,采用6DOF动网格,对反鱼雷射弹的入水过程进行了仿真。主要研究了两种具有不同空化器形状的射弹分别在入水角为30°和60°的工况下超空泡的形态和发展过程,以及阻力系数的变化情况。将仿真得到的空泡轮廓同经验公式计算结果进行对比,将仿真所得的弹体运动速度同在靶场进行实弹射击的测速结果进行对比,论证仿真程序的可靠性。结果表明:仿真结果与经验公式计算结果、实弹射击结果吻合程度较好,仿真成果可靠性较高;空化器形状对于阻力系数的大小有较大影响,入水角度对阻力系数的变化趋势有较大影响;弹体完全入水后升力系数、阻力系数因尾拍扰动而在一定范围内振荡,大入水角下弹体尾翼对水面的撞击较小入水角下剧烈。研究结果可为进一步研究反鱼雷射弹结构和超空泡射弹的优化提供必要参考。