水下超空泡航行体减阻能力的数值研究

采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律.采用动态网格,实现了全数值模拟超空泡航行体在水中的运动过程及空泡的生成规律.比较了航行体周围是否产生空泡与航行体是否有推力4种情况,计算结果表明超空泡具有非常好的水下减阻能力.利用超空泡技术可以在不大的推力下使水下航行体的航行速度提高3倍,超空泡航行体应采用火箭发动机动力装置.     

超空泡航行器内外流场仿真及性能分析

提出了由水冲压发动机推进的超空泡航行器简易结构。基于Reynolds平均N-S方程、Mixture多相流模型和完全空化模型,建立了超空泡航行器内外流场仿真模型。基于模型,对不同航速和结构参数下航行器流场进行仿真。分析得到航速、进水管路入口直径和喉径对航行器减阻及摄水性能影响规律,进一步计算得到以一定初速发射的超空泡航行器射程和速度变化规律。     

超高速水下航行器航向控制方法

针对超高速水下航行器巡航阶段的超空泡运动特性及其具体运动条件下的特点,考虑发动机推力偏心会造成航向误差,建立了航行器水平面运动方程,分析了其欠阻尼运动特性,提出了基于比例积分算法的极限操舵方式对超高速水下航行器实施航向控制的方法,此类控制方法在确保航向准确性的同时保证了超空泡的稳定性,且简单易实现,鲁棒性好,数字仿真证明该方法的有效性.     

水下航行体表面凹槽数对超空泡流场影响的数值模拟

基于FLUENT软件,采用VOF方法,对不同表面凹槽数的水下航行体超空泡流场进行了数值模拟,分析了不同表面凹槽数所形成的三维超空泡的形态特征。模拟了不同表面凹槽数情况下航行体超空泡形状并与Logvinovich半经验公式的结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。通过对不同表面凹槽数航行体超空泡截面形态做进一步的对比,分析了超空泡面凸凹变化的原因,并得出水下航行体表面凹槽数对超空泡流的影响。计算结果表明,随着表面凹槽数的增加,超空泡外形轮廓变小,该结果与实验结果一致。     

超空泡航行器流体动力仿真分析

超空泡航行器在水下运动时，其大部分表面被超空泡包裹，构成了一种新的流体动力布局，运动模式完全不同于常规航行器，其受力状态也极其复杂，这种新的流体动力是非线性的。为了进一步分析超空泡流场中航行器的受力特性，需要对其流体动力进行线性化处理。本文描述了超空泡形态，讨论了影响超空泡变形的主要因素，对超空泡流场中航行器的滑行力和空化器升力做了分析和线性化处理。仿真结果表明，滑行力和空化器升力在一定范围内是线性的，利用经线性化的力可进一步分析航行器的运动特性。     

超空泡水下航行器实验的计算机仿真

基于空泡截面扩张独立原理，对水下航行器实验进行计算机仿真,通过计算航行器模型在给定初始条件下所产生稳定空泡和不稳定空泡的一些特征参数，并对计算结果进行对比分析表明，本文所采取的方法可以为超空泡实验模型设计提供有价值的依据。     

水下固体火箭发动机推力特性研究

为研究水下固体火箭发动机的推力特性,采用CFD方法分析高速燃气射流与周围水环境之间的相互作用机理及多相流流场结构对发动机推力的影响,并对不同水深、不同燃烧室压强以及不同喷管扩张比情况下的推力变化规律进行讨论.研究发现:水下火箭发动机推力振荡剧烈,间歇性的推力脉冲是由气体射流的颈缩/断裂现象引起的;喷管设计出口压强与环境压强之比是判断推力振荡特性的重要参数,该压强比增大时,振荡频率减小、振荡幅值升高.     

非定常人工通气超空泡数学仿真与分析

针对人工通气超空泡涉及因素多、时变特性强、实现难度大、成本代价高的复杂工程问题,开展了非定常人工通气超空泡数学仿真研究.根据Logvinovich的空泡截面扩展独立性原理,建立了非定常通气超空泡形态模型,给出了仿真计算方法,对影响超空泡形态的因素进行了动态仿真计算,得到了不同充气参数和运动参数下空泡形态变化规律以及与航行体表面的相对位置关系,提出了满足航行体高速运动稳定的空泡闭合位置要求.研究结果对水下高速航行体的通气系统设计和航行性能设计均具有重要的参考价值,并可为工程应用研究提供理论基础.     

海洋环境扰动对水下航行体超空泡形态的影响

基于空泡截面独立扩展原理,编写自然超空泡形态时变特性计算软件.5级海况波浪扰动下,超空泡长度变化不超过5%,最大截面半径变化不超过2%;随着航行深度的增加,超空泡尺寸逐渐减小;当遇到较大压力脉冲时,超空泡从中前部溃灭,空化器附近仍保留部分空泡;波浪对水下航行体超空泡流动的影响较小;在变深度运动时,须注意超空泡尺寸变化幅度,避免航行体沾湿;爆炸冲击波对超空泡流动有较大破坏作用.     

多喷管斜切式火箭发动机流场与轴向推力研究

为研究多喷管斜切式火箭发动机喷管工作特点,采用有限体积法雷诺平均N-S方程,对其流场进行了三维数值模拟;并对发动机轴向推力进行了计算,将理论计算曲线与试验曲线进行了分析对比.结果表明:斜切式多喷管基本喷管段流场参数变化趋势与普通喷管基本一致,斜切喷管出口处的参数分布呈现三维偏心现象;轴向推力理论计算结果略偏大,计算曲线与试验曲线吻合较好.数值模拟结果能正确反应喷管内流动特点.     

补燃室中非均匀流场对冲压发动机推力的影响分析?

在双下侧冲压发动机地面连管试验中发现实测推力与一维流计算数据相差较大,为探究差异根源,以数值仿真为基础,对比分析了补燃室中均匀流场和非均匀流场对冲压喷管推力特性的影响。分析结果表明,流场的非均匀性导致计算截面上的实际滞止参数与理论计算数据有差异,因此,在这种条件下,不能直接利用一维流理论进行计算;同时,文中在仿真及试验基础上给出了非均匀性对推力影响的工程估算方法。     

水下航行体超声速射流与尾空泡耦合作用初期的流场特性

针对航行体水下垂直发射过程,利用固体火箭发动机在尾空泡内点火实现有控运动,是保证复杂因素干扰下航行体弹道稳定的重要手段。基于流体体积模型、标准k-ε湍流模型和动网格技术,通过求解雷诺时均Navier-Stokes方程,获得超声速射流与尾空泡耦合作用初期的流场特性及其演化规律。结果表明：航行体出筒后形成的半椭球状附体尾空泡,在超声速射流作用下逐渐演变成葫芦状,其内部流动受到破坏后进行重构,没有形成回射流现象;超声速射流完全受限在尾空泡内发展,射流流动主要位于径向尺寸和喷管出口直径相当的核心区内,在射流卷吸作用和空泡界面影响下,尾空泡内相继出现了一次涡环和二次涡环结构;航行体尾部与筒口中心位置压力呈现宽幅振荡特征,最大振幅约为发射水深压力的1.2倍,致使射流结构和航行体受到的实际总推力出现大幅度振荡变化。     

水下航行体涡轮机通流部分流场及性能数值研究

基于求解雷诺平均的NAVIER-STOKES方程组,对水下航行体涡轮机通流部分的流场及性能进行了数值模拟,研究了设计工况与非设计工况下涡轮机内部流场精细结构和流动损失,分析了非设计工况涡轮机效率的影响因素.研究表明,设计工况下喷管处于超临界状态,造成叶轮中很强的入口激波,引起叶轮壁面边界层的分离;存在叶尖径向间隙泄漏和轴向间隙泄漏,由此造成很大的间隙泄漏损失;非设计工况下,涡轮机出口背压升高,涡轮机效率下降明显,喷管环效率下降是主要原因;本文所使用的CFD模型及计算方法能够较好地捕捉水下航行体涡轮机内部存在的各种复杂流动结构,所预测的涡轮机性能与试验数据吻合良好.     

超空泡和宇航技术在高速水下航行器研制中的应用

简要介绍了超空泡的原理、技术和超空泡航行器的研制现状以及宇航工程和技术在高速水下航行器中的应用前景, 针对超空泡和宇航技术的应用提出三个主要论点.     

固体火箭发动机水下超音速射流数值研究

固体火箭发动机水下点火射流是高温高压条件下复杂的多相流过程,为研究其流场特性与推力特性,选取扩张比分别为3.4和14.0的拉瓦尔喷管模型进行数值模拟。采用计算流体力学方法分析高速燃气超音速射流过程的流场与推力演化过程,揭示高温高压气体与水环境之间的相互作用规律。结果表明：固体火箭发动机水下射流流场结构与推力特性呈周期性变化,根据流场特征可分为颈缩、胀鼓、回击3个阶段;水环境与射流气体之间的相互作用是导致背压振荡的直接原因,同时导致激波运动、动量推力与压差推力的振荡。对比两种扩张比喷管的射流可知,扩张比为14.0的喷管射流形貌与流场结构的周期性变化更明显,扩张比为3.4的喷管背压振荡频率高、周期性特征弱、推力更稳定。     

通气超空泡的形态特性研究

产生满足动力平衡与控制要求的稳定的通气超空泡,是发展高速水下航行体的重要课题.其于N-S议程和有限体积法求解气液两相流,采用VOF法捕捉空泡界面,针对二维航行模型的能气超空泡流动进行了数值模拟,研究了楔形空化器平角、勇气流量及环境压力等物理参数的影响.结果表明,适当的空化器高计、能气流量和环境压力的参数组合,对于产生满足要求的稳定的超空泡外形是至关重要的.     

水下超空泡航行器巡航段稳定控制

为研究水下超空泡航行器巡航段稳定控制,保证弹道的可靠性,提出了对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚进行稳定控制.从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,提出了一种适应于稳定控制的流体动力布局,建立了航行器空间运动模型,采用空化器首舵对航行器巡航段进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合.针对超空泡航行器稳定控制进行了系统动态特性仿真.仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控;航行器运动参数可迅速达到期望值,过滤过程和稳定性满足系统要求,鲁棒性强.     

水下射弹自然超空泡特性数值模拟与试验

利用CFD计算软件Fluent6.3,对水下靠惯性高速运动的某型超空泡射弹在一定空化数范围内的自然超空泡特性,以及空化器设计与弹形尺寸匹配性进行了研究分析。在此基础上,进行了射弹试验,观测了弹丸在水下高速航行过程中空泡的生成情况、航行姿态和航行距离。综合计算数据和试验结果,对该型射弹弹形结构设计的合理性、超空泡减阻效果给予了评价。     

超空泡水下航行器尾喷温度对空泡形态的影响

为了满足超空泡水下航行体稳定航行的流体动力条件,在航行体上闭合的空泡必须具有特定的形态,形成必要的流体动力布局,来平衡航行体自身的重力以及所受的力矩。该文采用计算流体动力（CFD）方法对2D模型通气超空泡及尾部喷流进行一体化数值仿真研究。在模型处于零攻角时,对不同尾喷温度下的通气超空化流场进行数值分析,得出了超空泡形态随尾部喷流温度的变化规律,与试验所得规律一致,为超空泡航行体的流体动力特性与动力布局研究提供了参考。     

空水共用涡轮机气动设计与数值仿真

跨介质航行器是一种具备远程快速打击、重复出入水以及高效突防能力的新概念航行器,而其中涡轮发动机在跨介质航行器不同航行阶段的工作参数差别很大。为解决水下、空中及起飞工况下的空水共用涡轮机的气动设计,结合损失模型的方法提出一种空水共用涡轮机设计方法,通过数值仿真方法验证气动设计方法的合理性以及起飞工况的可行性。研究结果表明：在不同工况下,数值仿真结果与一维气动设计结果的相对误差均在2%以内;使用数值损失分解方法进一步分析了涡轮机的各部分损失,发现叶型损失为空水共用涡轮机的主要损失;水下工况时流场内存在激波和分离涡,部分进气度很小,损失较大;空中工况则流动更为均匀,损失较小;起飞工况时涡轮机工作在非设计点,此时主要依靠水下喷管做功,空中喷管则会产生负功率。该方法可为空水共用涡轮机的优化设计和试验提供参考。