超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明:在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。

超空泡射弹尾拍弹道稳定性的数值研究

针对超空泡射弹在水下航行过程中的运动稳定性问题,本文基于耦合欧拉—拉格朗日(CEL)方法,在对射弹尾拍航行的数值模拟、尾拍水动力载荷特性分析的基础上,对射弹的尾拍稳定机制进行研究,通过尾拍初始攻角、尾拍最大攻角、失稳临界攻角对射弹尾拍过程进行表征,并揭示超空泡航行稳定性与攻角的关系。而后,对本文锥台形式的射弹的航行稳定性进行评估,通过对其尾拍航行过程中压心位置变化的典型过程、射弹的静稳定度的分析表明,此超空泡射弹总体符合常规无控弹箭的12%~20%静稳定度要求。最后,本文得到超空泡射弹的外形设计需满足的空泡空间约束、尾拍航行稳定性约束以及静稳定度约束原则,进而从尾拍位置、尾拍范围的控制角度,对往复大扰动射弹的外形设计提出建议。

尾部形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

尾拍运动是超空泡射弹保持水中稳定运动的主要方式。为研究尾部形状对超空泡射弹尾拍运动特性的影响,基于有限体积法和Mixture多相流模型,结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型,比较圆柱弹、尾锥弹、尾翼弹和尾裙弹的尾拍运动特性,分析了在不同初始扰动角速度情况下射弹的固有运动状态特性。研究结果表明:射弹尾拍时,尾部形状会影响尾部沾湿面和尾部沾湿产生的空泡,尾部沾湿表面面积越大或沾湿表面与射弹航行速度方向夹角越大,同攻角下射弹所受的力矩越大,尾拍频率越高,速度衰减越快,在不失稳的情况下,射弹的速度衰减快慢为尾裙弹>圆柱弹>尾锥弹>尾翼弹;4种射弹都存在与射弹的几何形状有关,而与初始扰动角速度无关的固有尾拍运动状态,此状态下射弹尾拍角速度振荡峰值随速度的衰减正比例减小。

跨介质航行器入水多相流场及运动特性研究现状与展望

水面或空中平台发射的高速入水航行器,借助超空泡减阻技术突破了传统水中兵器的速度极限,凭借高速优势可有效拦截和打击水下潜在威胁,是当今各军事强国竞相研究的热点。但跨介质航行器高速入水过程伴随多相间复杂湍流流动、非定常空泡演变和入水冲击载荷等问题,制约着超空泡航行器的稳定航行,影响作战效能。文章针对航行器高速入水非定常空泡流型演变特性、跨空-水介质冲击载荷、水下尾拍运动等问题,阐述跨介质航行器入水过程及稳定航行所涉及的诸多技术难点,梳理航行器高速入水降载方法,并归纳总结跨介质超空泡航行器的工程应用。最后,展望了跨介质航行器有待解决的问题及未来发展趋势。

基于CFD/CSD耦合的高速射弹尾拍载荷特性研究

为提高射弹尾拍载荷的预测精度,建立了一套基于计算流体动力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)双向耦合分析的计算方法和程序。射弹流体计算主控方程采用耦合SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型的Navier-Stokes方程,射弹结构计算采用基于模态叠加法简化的结构动力学方程,流固耦合界面插值采用径向基函数法,网格变形采用弹簧网格法。分别对泡型计算方法和流固耦合方法进行验证,在此基础上,计算对比1 000 m/s速度下射弹刚体和弹性体的尾拍泡型、结构变形和尾拍流体载荷特性差异。计算表明:弹性体尾拍过程,射弹泡型会产生弹身“二次拍击”、“局部沾湿”和沾湿面积增大等特殊现象,结构变形由弹性一弯模态主导,较大的变形引起流体载荷增大27%~105%,尾拍姿态角增大13%,尾拍频率增加20%,流固耦合效应对尾拍泡型、尾拍载荷和尾拍弹道均产生了较强的影响。

弹丸倾斜入水尾拍运动特性实验

基于高速摄影技术,开展多工况下弹丸倾斜入水实验,并利用自编程序,对实验图像进行像素点捕捉及数据提取与处理。通过分析弹丸倾斜入水空泡形成、发展及溃灭过程,得到尾拍过程中弹丸的空泡演化特性。此外,通过对比分析不同入水初速下空泡尺寸及弹丸速度与加速度的变化规律,总结出入水初速对弹丸空泡演化特性及入水运动特性的影响规律。结果表明:弹丸发生尾拍后,部分弹尾穿透原始空泡发生沾湿,同时自弹尾向后产生了新的尾拍空泡,尾拍空泡与原始空泡间贴合紧密;尾拍结束后,尾拍空泡在水中的位置基本不变,最终从弹丸原始空泡表面拉脱溃灭,而相同深度的原始空泡在尾拍产生射流影响下加速溃灭;随着入水初速的升高,尾拍空泡的尺寸及原始空泡的长度逐渐增大,尾拍过程中弹尾最大沾湿面积也逐渐增大;随着尾拍次数的增加,弹丸在每次尾拍过程中速度衰减幅值增大,同时弹丸损耗的能量逐渐增多,弹丸存速能力下降。

预置舵角对跨介质航行体入水尾拍运动影响试验

为研究预置舵角对跨介质航行体高速入水过程尾拍运动特性的影响,搭建高速入水试验平台并设计带有内测单元的试验模型,开展入水角为20°时不同预置舵角下跨介质航行体高速入水试验研究。采用高速摄像机记录入水空泡,同时由内测单元测量航行体的运动参数和表面压力,分析预置舵角对跨介质航行体高速入水过程中空泡发展特性、入水运动特性以及表面压力的影响规律。试验结果表明:跨介质航行体入水过程中先后经历滑行运动阶段和尾拍运动阶段,尾拍形成的法向过载最高可达滑行产生法向过载的2倍;入水距离约5倍航行体长度时,入水空泡形成闭合,泡内压力在闭合前后呈先降低后增大的变化趋势;入水空泡闭合时,随着预置舵角增大,形成的附体空泡与主体空泡发生分离,在预置舵角为10°时,空泡尾流出现双涡管现象;预置舵角越大,跨介质航行体入水转平/偏转能力越强,当形成单侧尾拍运动后,航行体爬升效率提升。

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。

空化器锥角对超空泡射弹阻力与弹道影响数值研究

为分析空化器锥角对超空泡射弹减阻效果及运动稳定性的影响规律,基于有限体积法和VOF多相流模型,结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型,以射弹尾部空泡尺寸一致原则设计空化器锥角范围为60°~160°的6种超空泡射弹,比较分析其对减阻效果、尾拍运动特性和弹道特性的影响。结果表明:随着锥角的增大空化器所受阻力先增大后减小,在140°左右所受阻力最大;空化器锥角为60°~100°时射弹以“单侧尾拍”保持稳定,且弹道偏移量较大;空化器锥角为120°~160°时射弹以“双侧尾拍”保持稳定,弹道偏移量小,其中120°锥角的射弹有效射程最大。

跨介质航行器出入水连续弹道试验与仿真

为研究跨介质航行器出入水连续弹道特性,搭建高速入水弹道试验平台,并设计带有内测系统的试验模型,对跨介质航行器出入水连续弹道过程进行试验研究。建立耦合求解流场和航行器运动的非定常数值仿真模型,研究航行器出入水连续弹道的运动规律与流体动力特性,并通过试验结果验证其准确性。研究结果表明:新提出的跨介质航行器实现了入水-转平-出水连续弹道过程,其弹道轨迹呈类抛物线状,入水最大深度为0.9 m;航行器出入水连续弹道运动可分为入水滑行阶段、呈双侧尾拍运动的超空泡航行阶段以及单侧尾拍运动的出水阶段;航行器流体动力特性呈脉冲式振荡特性,由圆锥段、圆柱段以及尾裙段构成尾部流体动力;预置舵角与尾裙的组合形式能够提高跨介质航行器连续出入水的稳定性。

超空泡射弹尾拍分析与计算

对超空泡射弹进行运动学和动力学分析并数学建模,求解耦合非线性微分方程组,得到水下高速超空泡射弹运动特性。数值模拟结果表明,高速超空泡射弹在航行过程中,由于弹体头部和尾部的阻力作用,水平速度随时间迅速衰减。并且射弹的角速度呈周期性往复变化,即尾拍现象。同时由于空泡尺寸的减小导致尾拍幅度逐渐变小。射弹转动惯量越小,角速度变化幅度越平稳,相同时间内尾拍次数减少。发射深度或发射速度越大,尾拍幅度衰减越快。较大的初始角速度也会使射弹角速度很快衰减。

不同扰动角速度高速射弹入水弹道特性

为深入了解高速射弹入水运动情况,基于入水弹道学和超空泡流体动力理论,建立了弹体纵向运动的动力学模型,对弹体模型以不同扰动角速度入水的过程进行了弹道仿真,得到了弹体入水轨迹、速度、俯仰角和俯仰角速度的变化规律,并分析扰动角速度对其影响.研究结果表明,随着尾拍次数的增加,弹体尾部浸入水中的深度逐渐增大,尾拍所持续的时间也逐渐增长,尾拍后的俯仰角速度随尾拍次数的增加先变大,然后增幅逐渐减小,或者俯仰角速度随尾拍次数的增加变大后略微减小,扰动角速度越大,相同时间内弹体发生尾拍的次数就越多,尾拍发生的就越早,弹体在空泡腔内运行的时间就越短.

质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)方程、SST(Shear Stress Transport)湍流方程和不同介质之间的质量输运方程,结合刚体运动方程和网格变形方法,研究了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动特性以及尾拍运动下超空泡形态特性,对比分析了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动的刚体运动和尾拍力的变化特征.结果表明,射弹尾拍运动对空泡形态的对称性有较大影响,发生碰撞处的空泡壁面朝着弹体转动的方向发展;射弹尾拍运动的转动角度、角速度、角加速度以及尾拍阻力和尾拍升力等都表现出周期性变化规律,且随着质心与射弹头部距离的增加,转动惯量增大,变化周期也增大.

空泡摆动对超空泡航行体尾拍影响分析

针对超空泡航行体存在尾拍运动与空泡形态变化互相耦合作用的特点,建立了超空泡航行体尾拍耦合运动方程,并对超空泡摆动对超空泡航行体尾拍相互作用过程进行了数值研究,对比分析了不同速度和角速度的超空泡航行体运动过程及空泡摆动对尾拍的影响规律.研究结果表明:空泡摆动使航行体转角、整体运动周期、尾拍升力和阻力增大;在不同速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期及尾拍周期的影响随速度增大而逐渐减小;不同初始角速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期、航行体尾拍升力和阻力的影响随角速度增大而逐渐增大.

初始扰动对射弹尾拍运动及弹道特性影响分析

为研究射弹的初始扰动对射弹的尾拍运动、超空泡形态及弹道特性的影响,基于计算流体动力学程序CFX,通过二次开发使用CEL语言将刚体动力学方程嵌入计算模块并实现刚体动力学方程与流体(unsteady reynolds averaged navier-stokes,URANS)方程的耦合求解,建立了超空泡射弹在不同初始扰动下自由减速运动的计算流体动力学模型.在相同的初始速度下,计算并对比分析射弹在不同初始扰动下的空泡形态特征、弹尾压力分布特征及弹道特性.计算结果表明:射弹发生尾拍运动时弹体尾部与空泡壁面发生碰撞,这种碰撞破坏了空泡形态的对称性;初始扰动对射弹的水平速度与位移影响较小,但对垂直位移影响较大;初始扰动越大,射弹的俯仰角、角速度和角加速度的振幅越大且频率越高.

初始扰动对高速射弹尾拍过程流体动力特性与弹道特性的影响

为研究初始扰动对超空泡射弹尾拍过程中流体动力特性和弹道特性的影响规律,进行了射弹流场与弹道耦合计算。基于有限体积法和流体体积函数多相流模型,考虑水相的压缩性,应用刚体动力学理论构建3自由度运动模型,并结合动网格技术建立耦合求解流场和射弹运动的非定常仿真模型。计算分析了射弹在相同初始速度、不同初始扰动角速度下流体动力和弹道特性的变化规律。研究结果表明:不同初始扰动角速度使得射弹尾拍运动的俯仰角、俯仰角速度、流体动力系数呈周期性变化,随着尾拍动态稳定的形成,其幅值和周期最终趋于恒定值;初始扰动对射弹的水平速度影响较小,但对垂直位移影响较大,最终影响弹道特性。

亚音速超空泡射弹尾拍动力学响应分析

超空泡射弹在运动过程中存在尾拍现象,在高速运动条件下,水的可压缩性是影响射弹尾拍运动的主要因素之一。考虑了流体与结构相互耦合的影响,建立了射弹尾拍运动的无约束动力学方程,使用有限元法求解得到了超空泡射弹在尾拍载荷作用下的动力学响应,并研究了马赫数对射弹动力学响应的影响。研究结果表明:亚音速条件下,流体的可压缩性使超空泡射弹刚体转动和弹性振动位移的周期和幅值增大;流体的可压缩性对结构弹性位移响应的影响随马赫数的增大而逐渐增大。

预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性研究

为了研究预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性,开展了入水角为20°时的试验研究。超空泡航行体由空气炮加速获得入水初速度,采用高速摄像机记录入水空泡流型,同时由内测系统记录航行体的运动参数和尾部压力变化。对预置舵角为0°和20°时的试验结果进行对比分析,给出了预置舵角下航行体倾斜入水弹道特性,并进一步研究了不同预置舵角对弹道的影响。试验结果表明:预置舵角为0°时航行体以超空泡状态沿直线运动;预置舵角为20°时出现显著的尾拍现象,轴向力和法向力增大,弹道特征体现为偏向水面弯曲,航行体最终以双空泡状态航行,弹道偏转趋势提升;增大预置舵角有助于增强航行体的弹道偏转能力。

超空泡射弹尾拍问题研究进展

超空泡射弹在水下高速运动的过程中,往往伴随着尾拍现象的发生。本文描述高速超空泡射弹尾拍产生的原理,综述高速超空泡射弹尾拍问题的研究进展,分析超空泡射弹尾拍研究中涉及的空泡形态计算、流体动力学载荷计算以及柔性多体动力学模型建立等关键问题,并对超空泡射弹尾拍问题未来的研究方向和发展趋势进行了展望。

超空泡航行体运动过程尾部振荡流场试验研究

为了揭示超空泡航行体运动过程尾部振荡机理,文章采用试验的方法对超空泡航行体自由航行过程进行了研究。试验在水池中开展,采用高速摄影观察自由航行过程超空泡形态演化规律,采用压力传感器测量航行体表面压力,采用内测装置测量了航行体运动参数,获得了超空泡航行体运动过程空泡形态、压力和运动参数变化规律。试验结果表明,在航行体运动过程中,会出现尾部上下周期撞击空泡壁振荡现象,即为尾拍效应,表现为航行体撞击空泡壁瞬间,会形成非定常气液混合区域,相反侧则出现空泡透明区域。同时,稳定空泡内压力并非一定值,泡内压力和泡内空化数均在一定范围内波动,在尾部撞击空泡壁一侧,压力不断增大,出现压力高峰,相反侧则与稳定空泡内压力基本一致。