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.     

不同头型弹体低速入水空泡试验研究

针对不同头部形状弹体低速入水空泡形成、发展特性及其影响因素开展试验研究,用高速摄影仪实时记录了圆头、90~150°锥头弹体入水过程中自由液面的波动特性、空泡的演变过程及入水弹道的稳定性,同时通过对比试验得到弹体入水空泡、入水弹道与入水速度、入水角度之间的关系。试验结果表明,圆头弹体不易形成空泡,但弹道稳定性差;90°锥头弹体倾斜入水时,入水速度越大,空泡的非对称性越强;120°锥头弹体垂直入水速度越大,越易发生表面闭合现象及完整的脱落气泡;150°锥头弹体入水角大于80°时,发生表面闭合现象。在整个入水过程中,弹体速度呈线性衰减,空泡射流速度衰减较快。     

高速射弹并联入水过程空泡演化特性试验

为研究多射弹并联入水时多空泡演化特征,首先设计了可用于双射弹水平高速入水的发射装置,通过试验验证了该系统的可行性;然后基于该系统进行了不同空化器直径、径向间距的双射弹并联入水试验,利用高速摄影技术采集到双射弹在并联入水运动过程;最后对采集到的运动序列图片进行数据分析,得到双射弹在并联入水过程中的双空泡演化规律,揭示了射弹并联入水过程中空泡之间的耦合演化机理. 试验结果表明: 高速射弹并联入水过程中,其空泡演化过程存在穿越、吸引及截断3种典型现象;空化器直径与射弹径向间距均是影响双空泡耦合特性的重要因素.相同射弹径向间距时,随着射弹空化器直径减小,双空泡之间的耦合程度减弱,完全穿越转变成部分穿越现象;相同的空化器直径时,随着双射弹的径间距增大,射弹的脱落空泡之间的吸引现象逐渐减弱,但是脱落空泡的偏移幅值随着径向间距的增大呈现先增大后减小的变化趋势;当双射弹存在前后距离时,先发射弹易出现空泡的截断现象.随着轴向间距增大,截断现象将减弱.根据独立膨胀原理可知,相同条件下射弹前后间距减小时截断现象亦将减弱.     

不同头型运动体高速入水空泡数值模拟

运动体头型对其入水流场的流动分布、流体动力及入水弹道均有较大的影响。针对此问题基于有限体积法离散、求解雷诺平均的Navier?Stokes方程,考虑空化效应,并引入动网格技术,对带有不同角度锥头圆柱体的高速入水问题开展数值模拟研究,得到不同头型条件下高速入水运动参数及空泡形态发展规律、流场的压力分布及速度分布规律,分析了头型对入水空泡流场的影响。研究结果表明,空泡半径的扩张规律受头型及其阻力系数的影响,半径大小与阻力系数近似满足一定的关系式;入水初期,运动体头部受到极强的冲击载荷,锥角越大,压力峰值也越高;锥体表面压力系数与锥角大小直接相关,锥角较大时压力系数也较大。同时,锥角大小对运动体肩部排开水的速度也有较大影响,运动体在相同速度下,锥角较大时,肩部排开水的速度也较大。     

超空泡射弹异步并联倾斜入水空泡演化与运动特性分析

基于VOF多相流模型与重叠网格技术建立了超空泡射弹异步并联倾斜入水数值方法,利用单发射弹倾斜入水实验对数值方法的有效性进行了验证,在此基础上,分别对不同初始间距及入水顺序下前后两射弹的空泡演化与运动特性进行了数值模拟与分析。研究结果表明：对于前发射弹,在初始间距为0.5倍弹长时,由于受到后发射弹空泡剧烈挤压,前发射弹无法产生完整空泡包裹弹体,运动受到严重影响并最终失稳;同时,前发射弹自上侧入水与自下侧入水相比,其空泡受到的挤压程度更大,沾湿更早且失稳更快;随着初始间距的增大,前发射弹附近空泡受后发射弹的影响减弱,2种入水顺序下均运动平稳。对于后发射弹,由于前发射弹空泡的持续作用,其空泡始终不对称,运动稳定性受到影响,在间距为0.5倍弹长时向内侧偏转失稳,在间距为1倍弹长时运动平稳,间距为2倍和3倍弹长时向外侧偏转失稳,且2种入水顺序下运动规律基本一致。     

高速旋转小球入水空泡特性数值模拟

为了深入研究旋转体入水空泡特性,采用VOF均值多相流模型、k-ω湍流模型以及动网格技术,开展了低弗劳德数条件下高速旋转小球入水过程空泡特性的数值模拟研究.分析已公开发表的关于运动体入水数值仿真的相关论文,总结了入水数值模拟的最优参数选择,建立了适用于高速旋转小球入水数值模拟方法.开展不同入水速度和比重的小球入水过程的数值模拟,对比分析了入水空泡的形成、发展、闭合和溃灭的演化过程.数值计算结果表明:高速旋转小球在入水深度0.25d范围内出现逆升力偏移现象,逆升力偏移距离随小球速度和比重的增加而减小;逆升力的大小与入水速度成反比,而与比重无关.相同比重的小球,不同入水速度的轨迹相似;速度相同的小球,比重越大的轨迹曲率较小.高速旋转小球入水空泡依次发生纵向闭合和横向闭合的二次闭合的现象,且入水速度越大,纵向闭合越明显.空泡闭合深度、空泡最大直径以及尾空泡直径均随着速度和比重的增加而增大,且速度变化产生的影响更加明显.     

空气压强对垂直入水空泡影响的数值研究

基于RANS方程,结合VOF多相流模型和动网格技术,对带150。锥角头型圆柱体以中等速度垂直 匀速入水空泡进行了数值计算．计算过程中对VOF多相流模型嵌入水和水蒸汽之间的质量输运源项,实现 了水、空气和水蒸汽三项相同时存在的自由液面入水问题数值计算．通过与匀速垂直入水理想空泡模型计算 结果的对比,验证了本文数值计算方法的有效性．对不同空气压强条件下入水空泡形态的数值计算结果分 析,得到了在本文所计算入水工况范围内垂直入水过程中自然空化对入水形态的影响;得到了空泡无量纲闭 合时间、空泡闭合瞬间最大无量纲直径、以及空泡闭合方式与空气压强和入水速度之间的关系等     

超空泡射弹阻力系数数值模拟

为了考察小空化数水下射弹自然减速运动过程中的阻力系数,建立了水下射弹二维轴对称数值模型．采用动网格技术,研究了不同初始空化数、不同长细比的水下射弹小空化数自然减速运动过程中的模型阻力系数随时间的变化规律．数值计算结果表明,同一超空泡减速运动过程中,空泡的长度发展滞后于厚度发展．同一模型长细比下,模型阻力系数随时间呈准线性上升．模型减速过程中,空化数随时间不断上升,当空化数较低时,阻力系数曲线斜率较小,阻力系数几乎不随时间变化,当空化数较高时,阻力系数曲线斜率大,随时间上升较快．另外,当初始空化数较低时,随初始空化数的降低,模型阻力系数变化较小,此时继续降低初始空化数,其减阻效果不再明显提升．     

回转体并联入水过程空泡及运动特性数值模拟

为研究初始参数对回转体并联入水空泡及运动特性影响,基于有限体积法,采用realizable k-ε湍流模型、VOF(volume of fluid)多相流模型和Schnerr and Sauer空化模型,并引入重叠网格技术,对不同入水速度、不同初始净距和不同横流速度的回转体并联入水过程进行数值模拟。首先,建立了回转体高速并联入水的数值计算模型,验证了计算方法的有效性。然后,基于此模型开展不同初始参数的并联入水数值计算,得到不同参数下的流场及运动特征。最后,结合计算结果分析了不同参数下并联运动体的空泡形态及特征尺寸变化、侧向与偏航运动规律。研究结果表明,随着入水初速度增大,内侧空化现象越剧烈,同一量纲一的时刻空泡的外侧极径和限制长度增大,回转体量纲一的侧向位移和偏航角越大。随着初始净距减小,同一量纲一的时刻空泡的限制长度越小,回转体的量纲一的侧向位移和偏航角先增大后减小。小横流作用下,迎流与背流回转体的外侧空泡径向尺寸与单体基本相同,而长度略大,随着横流速度增大,并联入水状态的空泡尺寸差异同单体相比增大;内侧空泡的径向尺寸差异较大,其中迎流回转体的内侧空泡极径较大,且随着横流速度增大极径的最大值始终维持在d+D/2左右。横流速度较小时,并联入水回转体头部靠近而尾部远离;横流速度较大时,两回转体头部远离而尾部靠近。     

回转体高速入水载荷的数值计算研究

弹体入水是一个涉及流固耦合和多相流的复杂问题.文中以Star-CCM+软件为平台,选用忽略尾翼的回转弹体几何模型,采用重叠网格技术进行网格划分,使用VOF模型捕捉气液交界面,Schnerr-Sauer模型描述弹体周围的空化过程.在弹体垂直入水条件下,对其速度变化的影响进行研究,讨论不同速度下弹体入水过程的差异及其载荷变化规律,发现速度是入水载荷的关键影响因素;对弹体倾斜入水进行仿真,考虑不同入水角度的变化,根据仿真数值计算结果对弹身整体的载荷变化规律进行分析,并将弹身分为多个部分,讨论其各部分载荷存在的差异,发现弹体入水载荷随入水角度减小而明显减小.     

结构物砰击入水过程的CFD-DEM-IBM数值仿真

为实现入水过程的精细数值仿真,解决入水问题数值模拟所面临的关键技术问题,围绕结构入水过程中固体移动边界的合理描述、自由液面的准确捕捉及流固耦合作用的精细刻画等核心难题,融合计算流体动力学-离散单元法（CFD-DEM）、浸入边界法（IBM）及改进的守恒式Level Set（ICLS）方法,提出了一种CFD-DEM-IBM方法。采用固定的笛卡尔网格离散计算域,分别通过CFD与DEM描述流体与结构运动,引入IBM追踪固体移动边界并获取准确的流固耦合作用力,采用ICLS方法在保证守恒性的同时隐式捕捉自由液面,并通过分区算法,在一个时间步内进行数次交错迭代以反映流固两相间的强耦合效应,建立了高解析度的CFD-DEM-IBM数值模型。通过圆柱常速入水、楔形体对称及非对称入水和多体入水现象仿真分析研究,结果表明,CFD-DEM-IBM方法能够考虑多块体间的相互作用,在准确反映流固耦合效应的同时能够获得高解析度的流场,在多体入水问题处理方面优势显著。     

存在垂直加热时的矩形池内热毛细对流的数值模拟

为了了解垂直加热对矩形浅液池内稳态热毛细对流的影响,利用有限容积法进行了二维直接数值模拟,液池左、右壁分别维持恒定温度Th和Tc,且ThTc,底部被加热,自由表面存在散热,液池宽深比为(20~30),流体为1cSt硅油。结果表明,随着底部加热热流密度的增大,矩形液池内的流动会由单胞或多胞流动转化为旋转方向相反的非对称双胞流动,流动转化过程的临界热流密度随Marangoni数和Biot数的增加而增大,随液池宽深比的增加而减小,液池内的最高温度会随Marangoni数和宽深比的增大而减小。     

高速弹体水平入水产生冲击波特性

高速弹体入水产生的冲击波对弹体的水下运行与毁伤性能有着至关重要的作用.为得到高速弹体入水产生的冲击波及其传播特性,利用一级轻气炮高速发射平头和球形两种不同弹体水平入水,通过以不同方式分布于水下的压力传感器测量因此而形成冲击波峰值压力衰减特性.实验结果表明:初始冲击波峰值压力随着距离和角度以不同的方式衰减;在波的传播方向上,其满足指数衰减的形式,压力介于距离的倒数与距离平方的倒数之间的曲线之间.在球形波阵面上则以正弦曲线的形式衰减,这种沿距离和角度衰减的冲击波峰值不受弹体的初始速度的影响.     

球体入水空泡动态特性

为研究球体低速入水的空泡特性以及空泡的形成对球体运动特性的影响,基于独立膨胀原理对充分发展后的空泡形态建立了理论模型,采用高速相机对不同速度的球体入水过程进行拍摄,观察球体入水从没有空泡到空泡充分发展的过程,分析了空泡的形成对球体后方射流的影响以及空泡对球体的运动特性的影响,研究了空泡的动态特性.结果表明,在球体入水没有形成空泡时,球体后方的射流以水柱的形式向上溅射;在形成稳定的空泡后,在空泡表面闭合前射流向四周溅射,空泡表面闭合后射流主要向上溅射.由于球体入水速度的变化、入水空泡的形成以及入水撞击时冲击力的影响,球体的加速度变化比较复杂,球体的阻力系数受到入水空泡的影响而明显减小.用建立的空泡形态理论模型得到了入水空泡截面积随时间的变化,并与实验结果进行了对比,对比结果显示了较好的一致性,分析表明不同深度处空泡从发展到破灭的时间大致相同,深度较小处的空泡截面积较大.     

Numerical simulation of calm water entry of flatted-bottom seafloor mining tool

The hydrodynamic problem of a two-dimensional model of seafloormining tool entering still water vertically at constant speed was analyzed based on the velocity potential theory.For the assumption that the water entry occurs with very short time interval,the viscosity and gravity of fluid were neglected.Considering the characteristic shape of it,the seafloormining tool was simplified as a flat-bottom body.The governing equations were the Reynolds time-averaged equations and the k-ε model.Finite element analy...