航行体回收垂直入水空泡流场及水动力特性研究

航行体以尾部向下姿态入水过程的研究对无动力运载体以及导弹回收等问题的解决具有重要意义. 本文采用VOF (volume offluid)多相流模型,并结合动网格技术,对航行体尾部向下姿态高速垂直入水过程展开研究.数值计算结果与实验[12]吻合度较好,验证了本文所采用数值方法的准确性与可行性.以航行体为研究对象,分析了航行体垂直入水过程中流体动力、入水空泡及流场结构的演变特性,进而讨论了入水速度对流体动力特性和入水空泡的影响规律. 研究结果表明:在航行体入水过程中主要受到压差阻力的影响,在入水冲击阶段,航行体所受阻力系数在撞击自由液面时达到最大,随着入水时间的推移,总阻力系数缓慢降低,最终趋于稳定,空泡发生溃灭时产生微小波动.在入水空泡发展的过程中,在惯性力与内外压差的共同作用下,空泡壁面会同时存在扩张与收缩两种阶段.航行体垂直入水过程中阻力系数峰值随着入水速度的增大而增大,且随着速度的增大,空泡最大直径以及空泡收缩速率增大.空泡面闭合无量纲时间以及深闭合时入水空泡夹断深度与入水深度的比值随弗劳德数变化基本不变.      

开放空腔壳体倾斜入水运动特性试验研究

基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律. 通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响. 结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.      

开放空腔壳体倾斜入水运动特性试验研究

基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律.通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响.结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.     

细长体高速入水过程压力特性试验研究

为了研究高速入水过程物体表面压力特性,对细长体高速入水过程进行了试验研究。试验在水池中开展,采用高速摄影的方法观察入水过程空泡形态演化规律,采用压力传感器测量物体表面压力,获得了细长体高速入水过程中空泡形态和表面压力变化规律。试验结果表明:在高速入水过程中,随着入水深度增加,泡内压力先降低后升高之后再次降低,压力升高主要是因为空泡闭合泡内气体受到压缩,之后降低则是因为闭合空泡泄气等原因;细长体尾部在入水过程中,上方始终处于空泡内,压力与稳定空泡内压力变化一致,下方在触水瞬间会产生一压力高峰;同时,随着速度增大,入水过程空泡内压力降低最大,空泡内部压强最低值随着速度的增加呈线性减小趋势。     

90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性

用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程,全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程,分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律;研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程,探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明:随着入水速度的增加,空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合,每种闭合方式对应的一个速度区间;弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s;不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化;随着水深的增加空泡扩张初速增大,空泡最大直径减小,扩张段缩短,收缩段延长;同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高;水幕闭合后会产生向上和向下两股射流,向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响;近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流,并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流;空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变,弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动,进而导致空泡壁面发生波动,壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

表面润湿性对球体斜射入水过程的影响研究

针对球体表面润湿性对倾斜入水空泡演化过程及球体动力特性的影响开展研究,以便能够进一步理解润湿性对入水过程的影响并且能够为多种情况下的入水现象提供理论依据.基于球体入水过程空泡形态观察、采集与测量实验平台,分析了亲水性和疏水性球体入水过程中入水喷溅和空泡的演变规律,并深入讨论了不同速度下球体表面润湿性对球体入水过程中动力特性的影响.研究表明,不同表面润湿性球体在入水过程中的喷溅及入水空泡演化与动力特性存在明显区别.在相同入水速度下,亲水性球体的三相接触点远高于疏水性球体,而喷溅的高度却低于疏水性球体,但该差异随入水速度的增加反而减小.随着入水速度的增大,亲水性球体依次经历了无空泡、浅闭合和面闭合3种闭合方式,而疏水性球体先后只出现了深闭合和面闭合两种.但是,随着入水速度的增加,球体表面润湿性对空泡演化过程的影响逐渐减弱,当速度增加到11.25 m/s时,二者不存在区别.同时发现,在入水过程中,在相同速度下生成入水空泡较无入水空泡其总流动阻力系数降低49.94%;亲水性球体生成空泡体积更小,空泡带来的附加质量力也更小,减阻效果更好.     

旋转射弹高速倾斜入水多相流场与弹道数值模拟

基于VOF多相流模型和有限体积法求解水、汽、气多相流动的RANS方程,结合重叠网格技术和six DOF算法对某一型号舰载射弹倾斜入水过程进行数值模拟研究。首先基于该方法研究了射弹旋转效应对射弹运动特性及流体动力特性的影响,然后对不同入水角下倾斜入水过程进行分析,得到不同倾角下旋转射弹入水空泡形态发展规律、弹体运动特征及流体动力特性变化规律。研究结果表明:射弹的旋转有利于弹体在初始对称面内的弹道稳定性,但会降低弹体侧向稳定性,使射弹受到的阻力系数、俯仰力矩系数变小;入水角越小,形成的空泡越不对称,由射弹运动状态的改变引起的空泡形态变化越明显,在超空泡航行阶段,弹体运动较稳定,不同角度下流体动力系数差别很小,当弹体下表面刺破空泡壁沾湿时,弹体运动状态发生较大变化,流体动力系数迅速增大,此时入水角度过小,弹体容易失稳;弹体的沾湿对空泡形态、弹体运动稳定性和流体动力特性有着重要的影响。     

钝体倾斜和垂直冲击入水时引起的超空泡流动特性实验研究

对4种不同头型的钝体、以不同初始速度在小倾斜角度和垂直状态下入水,所产生的空泡流进行了的实验观察,分析了不同工况下空泡产生和发展的特性。实验结果表明:对于倾斜入水及垂直入水,圆台头和平头(即空化器均为圆盘)实验体均能形成较稳定的入水弹道;初始入水速度较低时,空泡的闭合方式为深闭合;初始入水速度较高时,空泡的闭合方式为表面闭合,且运动速度衰减得更快。测量得知,钝体倾斜入水产生的空泡的前部外形轮廓与Logvinovich的半经验公式给出的结果相吻合。在垂直入水的情况下,调查了物体头部对空泡的起始点位置及其形态的影响。     

旋转圆球入水空泡特性与流场结构的大涡模拟研究

圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值. 采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法, 对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟, 研究了转速对入水空泡演化、流场结构和水动力特性的影响. 采用动网格与滑移网格技术实现圆球的自由运动, 并基于试验结果对比验证了数值模拟的可靠性与正确性. 旋转运动的升力效应导致圆球入水弹道发生偏转并从水面携带横向楔形射流侵入空泡内部. 采用入水砰击速度与转速进行归一化分析, 结果表明入水转速的增加显著改变了圆球的动力特性: 水平方向的速度和位移以及升力峰值都随入水转速的增加而变大, 但升力峰值受到入水速度的限制; 而垂直方向的速度和加速度以及空泡断裂深度几乎不受转速增加的影响, 并且空泡深闭合发生前圆球转速变化不大. 入水转速的增加也使液面飞溅环和空泡断裂的非对称性增强, 在较低转速时发生空泡表面闭合, 而在较高转速时则发生空泡深闭合. 对于空泡深闭合模式, 入水转速的增加带来更强的横向楔形射流, 并且抑制了空泡断裂产生的高压以及相应涡结构的生成, 致使圆球在入水砰击阶段承受更低的侧向压力.      

回转体高速倾斜入水的流场特性及结构响应

回转体高速入水过程涉及液体和固体的耦合作用,是一个复杂的非线性、非定常过程。为研究回转体高速入水的结构动响应及流场演变规律,本文中基于STAR-CCM+和ABAQUS平台,建立了回转体高速入水的双向流固耦合数值模型,开展了不同入水速度的回转体高速倾斜入水流固耦合数值计算。结果表明:数值计算的入水速度、位移曲线和空泡形态与实验结果良好吻合,验证了流固耦合方法的有效性;回转体倾斜高速入水的载荷先集中在触水部分边缘处,后集中于回转体底部中心处;流固耦合方法的入水冲击载荷峰值小于刚体的,弹性回转体的载荷曲线产生明显波动;撞水阶段,回转体空泡呈现不对称形态,随着入水加深,空泡不对称性变弱;入水速度60 m/s下,空泡发生表面闭合,回转体入水初速度越快,空泡表面闭合越晚;冲击载荷与入水速度有关,入水速度越大,峰值出现越早,震荡越明显,速度超过100 m/s时,回转体产生塑性形变。     

圆柱体并联入水过程空泡演化特性实验研究

运动体并联入水广泛存在于机载射弹灭雷、空投鱼雷饱和攻击等空对海作战方式中,具有极强的工程应用背景.为得到运动体并联入水过程中空泡演化特性,采用基于高速摄像技术的光学测量方法,对圆柱体入水过程开展实验研究.利用图像处理技术对采集的图像序列中的空泡轮廓进行识别提取,通过对比单圆柱体和双圆柱体在不同弗劳德数下的空泡轮廓分析圆柱体并联入水过程的空泡演化特性和弗劳德数对其的影响.实验结果表明:入水空泡整体呈现良好的镜面对称特征,而圆柱体内外侧空泡存在明显的非对称性,当入水时刻的弗劳德数较低时,空泡闭合方式为深闭合,闭合点随弗劳德数增大而后移,当弗劳德数达到临界值时,闭合方式过渡为表面闭合且表面闭合方式下闭合点随弗劳德数增大而前移.在弗劳德数的正激励和环境压力、喷溅回卷负激励作用下,水下不同深度截面上的空泡扩张和空泡中心向外侧偏移量的峰值和时长均随弗劳德数增大呈现先增大后减小趋势,由于不同深度处主导的激励作用不同,故峰值和时长发生转折的弗劳德数临界点不同.      

圆柱体并联入水过程空泡演化特性实验研究

运动体并联入水广泛存在于机载射弹灭雷、空投鱼雷饱和攻击等空对海作战方式中,具有极强的工程应用背景.为得到运动体并联入水过程中空泡演化特性,采用基于高速摄像技术的光学测量方法,对圆柱体入水过程开展实验研究.利用图像处理技术对采集的图像序列中的空泡轮廓进行识别提取,通过对比单圆柱体和双圆柱体在不同弗劳德数下的空泡轮廓分析圆柱体并联入水过程的空泡演化特性和弗劳德数对其的影响.实验结果表明:入水空泡整体呈现良好的镜面对称特征,而圆柱体内外侧空泡存在明显的非对称性,当入水时刻的弗劳德数较低时,空泡闭合方式为深闭合,闭合点随弗劳德数增大而后移,当弗劳德数达到临界值时,闭合方式过渡为表面闭合且表面闭合方式下闭合点随弗劳德数增大而前移.在弗劳德数的正激励和环境压力、喷溅回卷负激励作用下,水下不同深度截面上的空泡扩张和空泡中心向外侧偏移量的峰值和时长均随弗劳德数增大呈现先增大后减小趋势,由于不同深度处主导的激励作用不同,故峰值和时长发生转折的弗劳德数临界点不同.     

航行体开槽包裹式缓冲头帽结构设计及其降载性能

针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷,可能导致的结构损坏、弹道失控等问题,提出了一种开槽包裹式缓冲头帽,用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先,给出了缓冲头帽的详细设计参数,基于任意拉格朗日-欧拉算法,建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型,并对该数值模型的正确性进行了验证。然后,在此基础上,研究了不同入水角度下,空泡流场的演变过程,分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后,探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明,数值计算所得空泡形态与实验图像基本吻合,且数值计算和实验测试所得的冲击加速度变化趋势基本一致,两者轴向加速度峰值相对误差为6.72%,径向加速度峰值相对误差为7.52%。航行体装备所设计的缓冲头帽以300 m/s的速度垂直入水时轴向降载率为22.17%;以100 m/s的速度60°入水时,轴向降载率为31.83%,径向降载率为66.80%。     

扩张尾裙对跨介质航行器高速入水转平弹道特性影响

扩张尾裙是影响跨介质航行器高速入水转平弹道及其稳定性的关键因素.采用流体体积多相流模型和动网格技术,建立了跨介质超空泡航行器高速入水多相流场弹道耦合计算方法,并通过试验验证了计算方法的准确性和适用性.通过对跨介质航行器高速入水转平过程进行数值模拟研究,获得尾裙外形对航行器入水转平过程中空泡发展形态、流体动力特性与弹道特性的影响,并分析尾裙扩张角度对高速入水转平弹道的影响规律.结果表明:不同预置舵角下的无尾裙外形航行器在入水转平过程中,攻角持续增大,最终导致弹道发散,带尾裙外形航行器在入水后尾裙沾湿形成了恢复力矩,获得了稳定的入水转平弹道;设计的1.5°, 6°, 8°尾裙角度的航行器形成了稳定滑水、单侧尾拍以及双侧尾拍3种弹道特征,且均能实现稳定高速入水转平弹道;稳定滑水弹道原理为预置舵角与尾裙滑水耦合作用下达到的动态平衡,该弹道综合阻力系数最小,转弯效率最高,动载荷最小,是跨介质航行器高速入水的理想弹道转平形式.     

超空泡航行器升沉运动流体动力特性研究

基于Rayleigh—Plesset方程的单一介质可变密度Mixture模型,采用动坐标系法完成了对带空泡航行器作升沉运动时空化流场的数值模拟,并分析了该状态下航行器流体动力特性变化规律,对升沉运动频率和幅值对航行器流体动力系数的影响以及升沉运动对航行器自主运动弹道的影响进行了对比研究。研究结果表明,升沉运动过程中,航行器流体动力系数出现周期性变化,增加升沉运动频率和幅值不仅将导致航行阻力和升力增大,同时会造成阻力系数和升力系数幅值波动加剧;升沉运动使航行器速度及角速度出现周期性震荡。本文结论为研究超空泡航行器动力学建模、附加质量计算及弹道设计奠定了基础。     

空心弹高速入水机理及特性数值模拟研究

为分析空心弹高速入水的机理及其特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程、VOF(volume of fluid)多相流模型、Realizable k-ε湍流模型,引入Schnerr-Sauer空化模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行数值模拟研究,获得了通孔孔径和头部形状对空心弹的空化特性、空泡形态和入水运动特性的影响规律。研究显示数值计算的空泡形态和入水速度、位移曲线与实验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可行性。结果表明：当通孔孔径不同时,通孔孔径越大,空化现象越明显,通孔射流越长,但对空泡半径的影响不大;通孔孔径越小,空泡闭合时间越早,与水面碰撞产生的阻力系数峰值越高,空心弹入水稳定后其阻力系数也越大;无量纲直径在0.575～0.600之间时,空心弹的运动最为稳定。当头部锥角不同时,头部锥角越大,空泡直径越大,空化现象出现得越晚,但空化生成的速度更快;随着头部锥角的增大,阻力系数变大,空心弹的速度衰减变快,相同时间运动的距离较短;头部锥角越大,俯仰角的变化越小,空心弹的运动越稳定。     

球体垂直入水空泡实验研究

针对球体垂直入水问题开展了实验研究,分析了入水空泡的形成、发展、闭合及溃灭过程。通过开展不同初始入水速度及表面沾湿状态的实验研究,得到了入水速度及表面沾湿状态对球体入水空泡流场的影响,同时分析了球体在垂直入水过程中的位移、速度、加速度以及阻力因数。结果表明,球体在水下的运动参数具有较强的非线性特性,速度较高、入水空泡深闭合的条件下,球体的运动参数及阻力因数曲线具有明显的波动。     

水下亚声速细长锥型射弹超空泡流的数值计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于水动力学势流理论及细长体理论,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。发展了求解该方程的数值离散方法,提出多种超空泡外形初始解,分析了它们对超空泡形态计算结果的影响,优化了计算过程,简化了初始迭代条件。分析了流体压缩性对超空泡流动参数的影响,当马赫数大于0.3时,超空泡外形、射弹表面压力系数及射弹运动压差阻力系数均明显增大。计算得到的超空泡流动参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。     

超空泡航行体转弯运动流体动力特性的数值研究

基于有限体积法,采用两流体多相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,建立了用于求解超空泡航行体转弯运动过程中的三维数值模型,研究了转弯运动条件下通气空泡的形态特征及超空泡航行体的流体动力特性。计算结果表明:在转弯运动过程中空泡产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道基本重合;由于空泡的弯曲变形航行体两侧表面呈现非对称沾湿,利用空化器横向偏转能够避免沾湿区的出现,而且对航行体水平面流体动力有良好的控制作用。