入水角度对球体高速入水空泡特性影响研究

目的 针对球体高速入水过程中空泡的演化过程及运动特性展开研究,为弹体入水或空投鱼雷入水提供理论参考。方法 基于试验与数值模拟,主要讨论入水角度对球体高速入水过程中空泡生成、闭合、溃灭以及运动特性。结果 在球体入水过程中,根据入水空泡的形态特征,可以将入水过程分为入水冲击、空泡形成、空泡闭合和空泡溃灭4个阶段。在入水冲击阶段,球体头部承受的压力最大,且随着入水角度的减小,冲击阶段球体头部压力逐渐减小。在空泡闭合后,空泡的截面面积随着入水角度的增大而减小。在溃灭阶段,由于空泡溃灭夹断,会产生回射流,回射流的强度随着入水角度的减小而减小。在球体入水角度为30°时,溃灭夹断不会产生回射流。此外,球体以不同角度入水时,球体在水下的运动轨迹会发生不同程度的偏离,偏离程度随着入水角度的增大而减小,垂直入水时几乎未发生偏离。结论 入水角度对球体高速入水过程中空泡的演化过程及运动特性有较大影响,入水角度越小,球体入水后空泡截面积越大,总流动阻力系数Cd越大,且球体运动轨迹偏离越严重。

大口径锥头弹体高速倾斜入水偏转规律数值模拟

结合某大口径锥头弹体高速倾斜入水试验,采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)流固耦合方法对弹体倾斜入水偏转行为进行数值模拟,研究了弹体以500 m/s高速倾斜入水过程中不同受力模式、载荷变化特征以及弹体发生偏转的力学机理,分析了入水角度对弹体偏转规律的影响。结果表明:在俯仰力矩作用下,弹体均发生抬头方向偏转,且偏转速度呈现先增大后减小的趋势,偏转程度在不同入水角度范围内呈现不同的变化趋势。当入水角度小于15°时,弹体会发生“跳弹”现象;当入水角度为30°~60°时,弹体偏转趋势基本一致,均由初始倾斜状态逐渐转动至水平状态、竖直状态并最终以弹头入水反方向的“出水”姿态向水下运动;当入水角度为75°时,弹体转动至水平状态后,并未继续偏转至竖直状态,弹头以朝斜上方的姿态向水下运动;弹体的入水侵深随入水角度的增大而增大,且增大趋势近似满足指数函数关系。

阶梯式圆柱射弹小角度入水弹道特性研究

圆锥圆柱外形射弹小角度高速入水过程中,入水初期空泡呈不对称性发展.随着入水角度减小,入水空泡发展不对称性现象加剧,使得弹体受到阶跃性突变力矩作用,导致其姿态角发生大幅度变化,严重影响射弹入水弹道稳定性,甚至出现入水跳弹现象.为了改善高速射弹小入水角度入水过程弹道稳定性,基于“空化器空化效应”原理提出了一种阶梯式圆柱外形射弹设计方案.通过流体体积多相流模型和动网格技术,建立超空泡射弹小角度入水数值计算方法,并通过入水试验验证了数值方法的有效性.对阶梯圆柱外形射弹与圆锥圆柱外形射弹以5°入水角的入水过程进行了数值模拟研究,得到了不同射弹外形空泡演化特性对水动力特性及弹道稳定性的影响.结果表明:阶梯圆柱外形能够加快初生空泡的发展并伴随多空泡融合现象,在0°攻角条件下,当空泡充分发展后,空泡尺寸未发生改变,在小攻角(5°)工况下,空泡对弹体的包覆面积增大,改善了射弹的升力性能;在小角度入水过程中射弹锥段空泡发展形态对入水稳定性具有重要影响,阶梯圆柱外形能够有效加快入水空泡的发展,进而形成有效抑制攻角持续增大的恢复力矩,提升了高速射弹小角度入水初期弹道稳定性.

高速射弹小角度入水弹道特性研究

研究高速射弹小角度入水过程中的空化现象和弹体运动规律.计算采用VOF多相流模型捕捉空泡界面,采用Schnerr and Sauer空化模型模拟空化现象,弹体运动通过6自由度方程与重叠网格技术进行求解.计算分析了弹体小角度入水过程中的弹道特性、空泡的演化规律及射弹的流体动力特性,初步探索了高速射弹的小角度入水时产生的弹跳现象.研究表明:此高速运动的旋转射弹在小角度入水时,弹体轨迹和姿态容易发生很大的变化,空泡形态不对称,弹体大面积沾湿导致弹体受到很大的流体动力和力矩,弹体运动失稳产生弹跳翻转现象.分析表明,弹体小角度入水容易沾湿,沾湿对流体动力及其运动姿态有着极大的影响,弹体的不对称沾湿是超空泡射弹失稳的重要原因.

两种入水角对卷式膜组件内部流动和流场的影响

本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对卷式膜组件内部的流场进行了3D模拟,讨论了两种入水角对速度、壁面剪切应力、压降等的影响。当入水角为0°时速度、壁面剪切应力和压降都与45°时存在明显差异,入水角为0°时流动受到的阻碍更强,流动速度关于膜组件中心截面对称,而入水角45°则关于膜组件中心截面反向对称。0°入水角时压降呈阶梯状下降,流经隔网时下降更剧烈,而45°入水角时压降呈线性平缓下降。因此,45°入水角在高剪切力冲刷膜面,减少浓差极化,预防潜在的膜污染,以及稳定膜滤压力、降低操作能耗等方面均优于0°入水角,可供工业设计与工艺优化参考。

尾翼直径对超空泡射弹小角度入水弹道特性影响研究

为了研究尾翼式超空泡射弹在小角度入水时尾翼直径对弹道特性的影响,采用VOF多相流模型和重叠网格技术,对3种不同尾翼直径的超空泡射弹在10°~30°入水工况进行数值模拟。分析射弹在不同尾翼直径小角度入水情况下受到的空泡形态、弹道特性。结果表明,射弹尾翼直径越大,入水冲击越大;15 mm尾翼射弹入水1 ms时速度最快,且俯仰运动最为平稳。研究成果可为尾翼式超空泡射弹的弹形设计提供理论参考。

碟旋体高速小角度入水稳定性仿真分析

[目的]针对高速航行体小角度入水稳定性问题,提出碟形回转体(碟旋体)高速斜切入水的技术方案,研究航行体高速入水的弹道特性。[方法]利用刚性Lagrange结构网格和Euler流场网格(L/E)耦合的方法,建立碟旋体和尖头回转体小角度入水的仿真模型。通过对比所用算法得到的位移与文献试验测得的结果,验证算法的准确性。对比分析两种航行体在以7°斜角高速(405 m/s)入水后的质心弹道轨迹及计算结果,并模拟碟旋体在不同角度入水时的初始弹道,分析其对碟旋体入水弹道稳定性的影响。[结果]分析结果表明,在以7°斜角高速入水后,尖头回转体发生了跳弹现象,而碟旋体能保持较好的斜射姿态,未发生跳弹现象,这说明碟旋体在小角度入水时水下弹道稳定性很高;在不同入水角度下,碟旋体的弹道侧向偏斜较小,入水弹道均稳定。[结论]研究结果可为水面舰船向水下目标精确、稳定和高速投放有效载荷提供新的思路。

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明:运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。

波浪对航行体高速入水载荷特性影响

波浪条件下航行体高速入水的载荷特性是影响该类航行体总体方案及结构设计的关键因素。采用流体体积多相流模型和动网格技术建立高速入水数值模拟方法,通过试验验证计算方法的准确性和适用性,并分析入水角度和波浪参数等因素对高速入水轴向载荷的影响规律。结果表明:轴向冲击力系数峰值随着入水角度增大而增大,且与入水角的正切函数值呈线性关系;不同波浪相位改变了入水时刻航行体与自由面的实际夹角,90°、270°相位入水时轴向冲击载荷与静水面入水时差别不大,0°相位入水时轴向冲击载荷峰值最大且与静水面时相应入水角下的轴向冲击载荷基本一致,180°相位入水时轴向冲击载荷最小,但易发生跳弹现象导致入水失败;波浪环境下航行体的实际入水角应为入水点处波倾角与航行体姿态耦合值,其轴向力系数峰值可通过平静水面环境下入水冲击载荷峰值系数曲线插值获得。

头部流线型回转体倾斜入水砰击流场和运动特性试验研究

针对流线型回转体倾斜入水问题开展了试验研究,选取了3种回转体的入水角度,分别为45°,60°,75°,根据试验结果对入水空泡、喷溅皇冠的形态以及回转体的运动特性和受力情况进行了分析.试验结果表明,回转体入水角度增大会对喷溅皇冠的抑制作用减弱,使喷溅皇冠的体积增大,同时使得入水空泡在迎水侧和背水侧壁面的不对称性减弱.入水角度越大时回转体尾部空泡的形成时刻越晚,当入水角度足够小时头部与尾部的附着空泡会分别脱落.回转体入水角度越大,在水中运动时所受的合力越小,加速度也越小.相较于头部为流线型时,回转体头部为平面时会发生更剧烈的流动分离.

龙舟划浆技术探讨

分析了传统民间龙舟划浆技术存在着浆入水角度大 ,单浆划水距离短的问题 .阐述了未来龙舟的划浆技术应向长、狠、快、巧的方向改进和提高 .提出改进和提高划浆技术是推动龙舟运动走向世界的重要步骤 .

活动式导流板导流效果研究

为优化导流装置设计并提供技术参数,采用水槽模型试验的方法对不同入水深度、不同入流角度下导流板的导流效果进行了分析。认为：导流板的入流角度以30°~60°为宜;入水深度比应为0.4~0.5。

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。