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。     

表面润湿性对球体入水空泡形态的影响研究

基于Navier-Stokes方程,采用流体体积法多相流模型,并引入动网格技术,对不同表面润湿性球体的垂直入水问题开展了数值模拟研究。将球体垂直入水空泡形态的数值结果与实验结果进行对比,验证了数值结果的正确性。对不同润湿性球体的垂直入水空泡形态的研究结果表明,球体入水空泡形态主要有4种：完全无空泡、深闭合空泡、面闭合空泡以及类面闭合空泡。入水初期形成的液体薄层是影响随后产生空泡形态的关键因素。进一步分析表明,生成不同空泡形态的临界速度与球体的表面润湿性有密切关系,建立了描述入水空泡生成的临界速度与表面接触角关系的经验公式。     

半疏水-半亲水球体垂直入水空泡数值仿真研究

采用流体体积多相流模型耦合连续表面力模型,对具有非对称表面润湿性的半疏水-半亲水球体垂直入水空泡形态发展过程进行数值仿真,分析了半疏水-半亲水球体垂直入水过程中受到的流体动力。研究结果表明：半疏水-半亲水球体垂直入水后,产生非对称入水空泡及“心”型喷溅,同时球体运动轨迹将偏离原竖直运动轨道,由疏水半球一侧向亲水半球一侧偏斜;入水初期,在球体表面形成液体薄层运动,在疏水半球一侧,液体薄层与球体表面分离,导致空气进入形成敞开空泡;在亲水半球体一侧,液体薄层沿球体表面向上运动最终在球体顶点汇聚;液体薄层汇聚后形成楔形流,楔形流在球体顶点与球体表面分离,继续向疏水半球一侧产生的入水空泡壁面运动并撞击,形成“心”型喷溅。     

跨介质航行体高速入水空泡壁面运动特性

跨介质航行体高速入水涉及非定常多相流动,具有很强的理论研究意义和工程应用价值.为获得航行体高速入水空泡壁面的运动特性,对回转体模型高速入水开展试验研究,分析不同激励效果对空泡演化特性的影响,提取极值位移与姿态角和空化数双自变量的关系并进行曲面拟合.试验结果表明:垂直入水时,自由液面以上的喷溅环以及自由液面以下空泡壁面的...     

基于数值仿真的球体垂直入水空泡演化过程研究

为研究球体垂直入水空泡的演化过程,基于N-S方程、VOF多相流模型及动网格技术,对球体的垂直入水过程开展了数值仿真模拟并进行分析。球体入水初期受到较强的冲击载荷并产生喷溅,球体入水后会产生和大气相连的入水空泡,空泡形成之后,依次经历发展、闭合以及溃灭等演化阶段,空泡受到的周围流体压力是空泡发生深度闭合的主要原因,空泡在闭合后会产生上下两股高速射流。结果表明：数值计算得到的球体垂直入水空泡形态和试验结果吻合良好,验证了仿真的准确性。     

弹体高速入水弯曲弹道实验研究

通过模型高速入水实验,利用高速摄像机拍摄了弹体入水过程和空泡形态演变过程,得到了4种头部外形模型的弹道曲线,并分析了头型、入水角、入水速度对水下弹道的影响。研究结果表明：椭圆斜截头弹体由于其特殊的头部更容易产生偏向水面的弯曲弹道,而其他3种弹体在一定速度内弹道比较稳定,基本趋于直线,虽然在有些工况下弹道发生了偏转,这是由于弹体加工过程中结构误差等造成的弹道不稳定性;入水角对弹道影响比较显著,小的入水角条件下弹体迅速向水面偏转,而入水角增大到一定程度时弹道向缸体底部偏转。所得结论可为高速入水武器的研究提供参考。     

非稳态超空泡流动的数值模拟

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对水下超高速运动体自然空化形成超空泡形态问题展开研究。分析了水下超高速运动体在不同速度下超空泡形态的变化规律,比较不同速度下空泡脱落计算结果的异同。通过数值模拟,验证了LES数值模拟与试验结果的关系,以及评估非稳态空泡流的计算模拟能力。     

低亚声速射弹垂直入水的流体与固体耦合数值计算研究

基于多物质的任意拉格朗日-欧拉-拉格朗日流体与固体耦合算法,考虑水的可压缩性,建立了低亚声速射弹垂直入水的流体与固体耦合计算模型。对低亚声速射弹入水时空泡、流场与弹道间的多介质耦合问题进行了数值计算,得到了不同入水条件下入水深度、速度变化曲线和空泡面闭合、空泡深闭合时间。模拟了高速射弹入水后的空泡演化过程,得到了射弹初始入水速度对空泡面、空泡深闭合时间的影响规律以及射弹加速度、应力、应变响应。将阻力系数数值计算结果与经验公式计算结果进行了比较,二者吻合良好,表明该数值计算方法是可行的。     

基于6DOF的高速射弹入水超空泡特性研究

根据非定常不可压缩流动的N-S方程和k-epsilon湍流模型,利用VOF多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型,采用6DOF动网格,对反鱼雷射弹的入水过程进行了仿真。主要研究了两种具有不同空化器形状的射弹分别在入水角为30°和60°的工况下超空泡的形态和发展过程,以及阻力系数的变化情况。将仿真得到的空泡轮廓同经验公式计算结果进行对比,将仿真所得的弹体运动速度同在靶场进行实弹射击的测速结果进行对比,论证仿真程序的可靠性。结果表明:仿真结果与经验公式计算结果、实弹射击结果吻合程度较好,仿真成果可靠性较高;空化器形状对于阻力系数的大小有较大影响,入水角度对阻力系数的变化趋势有较大影响;弹体完全入水后升力系数、阻力系数因尾拍扰动而在一定范围内振荡,大入水角下弹体尾翼对水面的撞击较小入水角下剧烈。研究结果可为进一步研究反鱼雷射弹结构和超空泡射弹的优化提供必要参考。     

超空泡射弹小入水角高速斜入水试验研究

为研究超空泡射弹小入水角高速斜入水性能,利用高速摄像技术开展了超空泡射弹入水试验。沿水下弹道轨迹的左侧等距布置压力传感器测试压力变化,分析弹体不同侧滑角入水冲击过程的弹道轨迹、喷溅演变和水下压力波传播特征。结果表明：对于射弹小入水角高速斜入水,弹体小侧滑角入水能形成较光滑透明的入水空泡和稳定的入水弹道,较大的侧滑角易造成空泡内严重雾化、弹道轨迹偏转和弹体损坏等现象,严重程度随侧滑角增大而增大;小侧滑角下弹头空化器及圆锥段斜面与水面的撞击使得入水喷溅在俯视下呈左右近似对称的“蝶”状,侧滑角对前半部分喷溅的左右对称性影响较小,对后半部分喷溅的对称性和范围影响较大,前半部分喷溅的对称轴随着侧滑角增大会出现相应偏转;入水冲击产生的水下压力波变化过程可分成两阶段：由弹体和水域冲击产生的初始压力波动阶段和各压力波叠加的高频脉动阶段,两阶段压力波动因侧滑角增加后入水状态的不同而呈现不同的变化特征。     

基于流固耦合的航行体高速入水规律研究

针对航行体高速入水过程中的流固耦合问题,采用有限元软件LS-DYNA中基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)的流固耦合方法,首先对美国MK25鱼雷模型的入水过程进行动态模拟,获取模型入水过程中的冲击效应和随时间变化的过载,得到不同时刻的流固耦合形态,验证了仿真方法的有效性。然后针对某航行体模型的质量、缩比效应、速度、入水角度等因素进行了仿真研究,结果表明决定高速入水过载的最重要因素是入水速度,入水角度对过载的影响相对较小,分析缩比结果验证了缩比定律的有效性。     

运动体小扰动下入水空泡试验研究

针对运动体入水空泡问题,采用模型试验方法,在试验水箱中开展约束和不约束运动体姿态的入水试验。研究了有无扰动下的入水局部空泡与入水超空泡生成、发展下的空泡流动特性。分析了有无扰动下的空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了有无扰动下的入水空泡长度的变化规律,探讨了试验获得的各种空泡流动的机理。结果表明:无扰动下入水空泡长度在深水闭合之后有微小增加,有扰动下空泡迎流面的长度比无扰动长度要短,背流面的长度比无扰动长度要长;无扰动时空泡尾部流动对称,有扰动时空泡尾部在背流面出现分裂的2条流动轨迹;对于没有发生深水闭合的空泡,入水扰动主要使得空泡直径增大。     

超空泡航行体控制面与主空泡相互作用分析

基于有限体积法,采用均相流模型和流体体积方法开展超空泡航行体在不同空泡流型及不同控制面舵角情况下空化流场数值模拟,研究穿刺空泡情况下超空泡航行体尾部控制面与航行体主空泡之间的相互作用。数值模拟结果表明：航行体主空泡对控制面的影响表现为不同流型下控制面沾湿深度不同,沾湿深度变化量最大可达50%以上,控制面流体动力受沾湿深度影响明显;航行体尾部控制面对主空泡闭合有迟滞作用,主空泡长度平均增量约为3%,控制面存在舵角时将会引起控制面之后的航行体主空泡形态变化,可引起航行体出现不对称沾湿面,且尾部闭合流型受影响最大。因此,超空泡航行体空泡流型设计与控制律设计时应充分考虑控制面与航行体主空泡之间的相互作用。     

鱼雷小角度入水过程仿真

针对鱼雷小角度入水问题,采用多相流混合模型及动网格方法,分析了鱼雷在小入水角条件下的入水空泡形成过程,以及雷体外形与入水空泡壁的相互作用特点,获得了不同入水角、入水攻角条件下俯仰力矩及力矩作用点位置在入水过程中的变化规律。仿真结果表明,减小入水攻角、延迟动力点火将有助于避免发动机失速、鱼雷跳水等异常现象,采用泵喷射推进器有利于鱼雷入水过程的稳定。     

水下高速射弹空泡形态与阻力特性研究

试验研究射弹在水下带空泡高速运动存在诸多限制,为了获得水下高速射弹的空泡形态和阻力系数的变化规律,分别采用CFD仿真软件和应用基于空泡截面独立扩张原理建立的公式来研究水下高速射弹的空泡形态及阻力特性。研究结果表明,仿真计算结果与公式计算结果吻合良好;随着空化数的减小,空泡的相对长度、相对直径和长细比都在增大;在小空化数下,空泡前部形态基本不变,阻力系数主要为压差阻力系数,其值基本不变。提出了水下高速射弹外形设计步骤：公式计算初步建立模型一仿真计算修改模型一试验确立模型,旨在为射弹的外形设计提供参考。     

鱼雷入水段弹道研究

鱼雷初始弹道是鱼雷全弹道中最复杂、难度最大的弹道段之一，而入水弹道则是典型的初始弹道段。初始弹道理论研究的主要手段是仿真，本文结合入水空化实验、建立了局部空化流场的数值计算模型、空化流体动力计算模型和空泡段弹道数学模型。在此基础上。利用鱼雷空泡段弹道仿真软件，对复杂入水条件下的鱼雷空泡段弹道进行了仿真。