高速射弹小角度入水弹道特性研究

研究高速射弹小角度入水过程中的空化现象和弹体运动规律.计算采用VOF多相流模型捕捉空泡界面,采用Schnerr and Sauer空化模型模拟空化现象,弹体运动通过6自由度方程与重叠网格技术进行求解.计算分析了弹体小角度入水过程中的弹道特性、空泡的演化规律及射弹的流体动力特性,初步探索了高速射弹的小角度入水时产生的弹跳现象.研究表明:此高速运动的旋转射弹在小角度入水时,弹体轨迹和姿态容易发生很大的变化,空泡形态不对称,弹体大面积沾湿导致弹体受到很大的流体动力和力矩,弹体运动失稳产生弹跳翻转现象.分析表明,弹体小角度入水容易沾湿,沾湿对流体动力及其运动姿态有着极大的影响,弹体的不对称沾湿是超空泡射弹失稳的重要原因.      

小攻角下水下高速射弹的空泡形态特性

基于流体计算软件Fluent,在小攻角小空泡数下对高速射弹形成自然超空泡的空泡形态特性进行了数值仿真研究。采用二维求解器计算了某口径高速射弹超空泡流形态,并与SCAV软件计算结果进行了比较分析,二者吻合较好,验证了计算模型与参数选择的正确性;采用三维求解器对非零攻角下高速射弹的超空泡流动特性进行了模拟,给出了射弹的超空泡轮廓和射弹表面的空泡厚度分布曲线,分析了小攻角对高速射弹空泡形态特性的影响规律,攻角严重影响超空泡的对称性。研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性等问题提供了理论基础。     

水下射弹空化器参数对自然超空泡形态的影响

为获取有效减阻的自然超空泡形态特性,利用CFD商业软件Flunt 6．0,基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空泡流动的多相流模型。在射弹最大初速度500m／s、最小空化数为0．00155的条件下,计算了圆锥和圆盘两种空化器头部射弹模型的超空泡形态。分析了头型、直径、锥角、空化数等对自然超空泡形态特性的影响。仿真结果表明：自然超空泡的尺寸变化主要取决于空化数与空化器参数;圆盘头型空化器更利于射弹超空泡的形成：空化器的直径和锥角过小都不易产生自然超空泡。     

基于推力矢量的水下高速射弹控制研究

针对水下高速射弹的尾舵自身产生空化等的不足,提出了利用空化器和推力矢量实现对水下高速射弹的运动控制方案．首先,对水下高速射弹的非线性数学模型进行了线性化处理,得到了系统定深航行的状态空间模型;然后,分别应用鲁棒极点配置算法和最优控制算法设计系统的控制器并进行了仿真分析,仿真结果显示系统的动态性能得到明显改善,并且最优控制算法在系统深度控制方面具有更加优越的性能．     

出水超空泡的形状与弗劳德数影响的实验研究

潜射导弹/射弹超空泡出水时超空泡与界面的作用机理目前还不完全清楚,而非定常流重力作用下的超空泡形状的描述也需要进一步探讨。为此,进行了水下高速射弹超空泡出水的实验研究,用高速摄影仪拍摄了航行体出水过程中空泡形状变化的图像,测量分析了各种不同头型航行体诱导的空泡尺寸、轮廓和生成溃灭形态的变化规律,并将研究结果与已有的理论公式和半经验公式进行了对比。研究表明,对所研究的工况,Savchenko半经验公式的适用范围可以扩展到空化数小于0.12;此外,实验测得的超空泡归一化长度亦高于考虑弗劳德数影响的Vasin的理论值,文中采用一系数对该公式进行了修正。实验研究还发现,航行体头型对超空泡的尺寸影响较大,超空泡与自由液面接触后,空泡直径有一定程度的增大。     

不同头型回转体低速倾斜入水过程流场特性数值模拟

基于有限体积法和VOF多相流模型求解气、水两相流动的RANS方程,结合动网格技术,对回转体低速倾斜入水过程进行数值模拟研究.通过将数值计算结果与试验数据进行比较,验证了数值计算方法的有效性.基于该方法对不同头型回转体低速倾斜入水过程进行分析,得到不同头型条件下回转体入水空泡形态发展规律、回转体运动特性及流体动力特性变化规律.研究结果表明:同一入水深度,入水空泡直径和流场中最小压力值随着回转体头部锥角的增加而增大;不同头型回转体,锥头母线同一位置处压力随着头部锥角的增加而增大;回转体阻力系数与其头部锥角大小直接相关,锥角较大时,阻力系数也较大,速度衰减也较快.      

隧道结构对高速列车穿行过程气动特性的影响

以CRH2型高速列车穿行隧道过程的气动特性为研究对象,建立了列车模型及具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道计算模型,并与相同工况下的模型实验进行对比,验证了仿真模型的可行性.以kε-湍流模型为基础,对高速列车以不同速度进入具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道时的外流场进行了仿真模拟.分析了列车在进入隧道时压缩波的产生机理,得到了列车表面风口在车体进入隧道过程中的压力波动情况.仿真结果表明:隧道缓冲结构的缓冲性能按抛物线型、线性、不连续性的顺序依次减小;压力值随阻塞比增大而线性减小.由此提出了减小列车进入隧道时表面压力波动的方法.     

高速射弹试验的发射控制器设计

设计了一种供高速射弹试验使用的发射控制器,通过采用光电隔离、人机交互、中断触发计时以及控制高速摄像机的延时开机等手段,使所设计的发射控制器抗干扰能力强、计时准确、可靠性高以及操作直观方便.经过多次野外试验检验,系统运行可靠、稳定,取得了良好的试验效果.     

过渡流道对串联高速离心泵空化特性的影响

为分析不同结构的过渡流道对串联高速离心泵空化特性的影响,以某型串联高速离心泵的第2级为研究对象,基于ANSYS Fluent中Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用RNG k-ε双方程湍流模型对同一工况下环形和螺旋形过渡流道在不同空化数下的增压值、叶片空化面积、流道内空泡体积进行了对比分析.结果表明：采用螺旋形过渡流道的次级离心泵在流量区间32 000～64 000 L/h增压值提升约8.5%,大流量工况(q_V>52 000 L/h)下效率提升3%～6%.次级叶轮发生完全空化时,相比环形过渡流道,螺旋形过渡流道次级叶轮叶片背面空化面积和流道内空泡体积均有所下降.由此可见,螺旋形过渡流道抑制了叶轮叶片空化气泡的产生,提升了次级叶轮的抗空化性能.     

高速列车侧风效应的数值模拟

在侧风作用下,高速列车的空气动力学性能发生显著改变.基于三维定常可压缩流动的N-S方程,采用SSTk-ω两方程湍流模型和有限体积法,对某型高速列车以350 km/h的速度在25 m/s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了数值模拟计算,分析了不同风向角的侧风对列车全车,以及受电弓、转向架和风挡等局部区域的作用.结果表明:在侧风作用下,列车的周围包括转向架处均产生复杂的涡流,压力分布十分复杂,转向架对流场的影响不容忽视;随着风向角(0~90°)的增大,侧向力系数及倾覆力矩系数也增大,列车倾覆及脱轨的风险性增加,且头车的倾覆力矩系数远大于中间车和尾车的倾覆力矩系数,应注重对头车的气动性能研究.     

跨声速旋成体弹丸气动力的数值计算

用三阶MUSCL TVD格式解三维可压缩流动N-S方程组,湍流模式为Sparlart-Allmaras模型,数值模拟了来流马赫数Ma∞=0.96、攻角α=0°和Ma∞=0.91、攻角α=2°条件下的旋成体弹丸跨声速流场,获得的弹体表面压力系数分布数值结果与实验数据吻合良好。同时还给出了流场的马赫数等值线、弹丸底部流线分布图谱,并对计算的弹底涡流结构作了扼要的分析。     

扩展角对Diamond-Jet型超音速火焰喷涂流场的影响

采用计算流体力学方法对超音速火焰喷涂过程进行数值模拟,研究了扩展角的变化对燃烧场的影响.研究发现扩展角对马赫锥形成的位置具有影响,随着扩展角的变化,马赫锥产生的位置向燃烧室方向偏移,当扩展角为0°～3.0°时,最大马赫数随扩展角度增大而增大.研究了扩展角对Diamond-Jet喷枪的温度场影响,当扩展角为0°～1.0°时,温度随扩展角的增加而降低,燃烧能转化为气体的动能;但是当扩展角度继续增加时,温度不再降低.     

基于ABAQUS的结构入水砰击流固耦合特性分析

基于耦合欧拉-拉格朗日方法,应用ABAQUS软件建立球体垂直入水模型,通过对两种材料球体入水过程数值仿真结果与实验数据进行对比,验证了应用此方法解决流固耦合问题的有效性,根据已有模型依次改变迭代时间步长和泊松比,得出了数值处理参数的改变对空泡形态、球体速度等数据的影响.研究表明,时间步的改变比泊松比对数值结果的影响更为明显.改变入水材料的泊松比可以在一定程度上改变球体入水后的运动特性,但对于空泡发展过程的影响微乎其微.     

自锻破片侵彻混凝土的数值模拟

为使串联战斗部中的聚能装药结构在短靶距内形成形状和侵彻能力较好的自锻破片(EFP),通过数值模拟的方法,研究了多级串联战斗部中自锻破片的形成及其对混凝土地下掩体的侵彻过程. 通过设计前级聚能装药结构,既保证了随进弹的装药量,又为随进弹的侵彻开辟了适当口径和深度的孔道. 总结了在计算过程中的几个关键步骤和处理方法;研究了药型罩的壁厚、锥角和聚能装药的起爆方式对EFP的影响. 研究结果表明:在二维轴对称的计算模型中,环形起爆方式有利于形成质量较好的EFP;聚能装药的壁厚越大,EFP的直径越大,侵彻深度越小;聚能装药的锥角越大,EFP的直径越大,速度越小.     

离心泵汽蚀过渡过程瞬态特性分析

为了对离心泵汽蚀过渡过程的瞬态水力特性进行分析,采用全汽蚀模型且不考虑水中溶解性气体对汽蚀的影响,再通过计算流体力学软件CFX对离心泵叶轮流道内汽蚀过渡过程进行了数值模拟计算,并与试验结果进行了对比.结果表明:数值模拟结果与试验结果的变化趋势基本一致,汽蚀过渡过程中叶片背面气体体积分数随汽蚀余量的降低而逐渐增大,当叶片工作面的气体体积分数大于0时,汽泡相开始堵塞叶轮流道,进而影响叶轮内部能量的交换和传递;汽蚀引起的旋涡使得叶轮流道内的速度出现无规律波动,从而造成靠近旋涡区和叶片工作面通道内的速度和载荷增大;扬程在随汽蚀余量的降低而缓慢降至一定程度后再次急剧下降,不同工况下扬程波动的幅度有所不同,小流量时扬程波动幅度最大.     

基于Fluent角型喷嘴内部空化行为的数值模拟

利用Fluent流体计算软件对角型喷嘴内部的空化流场进行了数值模拟,得到了喷嘴内部的压力、气相生成速率和汽含率分布场,并对三种扩张角喷嘴内的流场进行了比较分析.结果表明:在角型喷嘴内部,空化汽泡主要在喷嘴圆柱段壁面起始点和扩张段壁面起始点两处产生;在扩张段壁面起始点处,由于回流和压力两种因素的共同作用导致扩张角对空化汽泡生成速率的影响存在最优值;随着扩张角的减小,角型喷嘴在扩张段壁面的空化区域不断扩大,其汽含率也不断攀升;扩张角的改变对角型喷嘴圆柱段区域的空化行为没有明显影响.     

小型大涵道比涡扇发动机起动过程仿真研究

航空发动机的成功起动是其顺利进入正常工作状态的前提。为研究某小型大涵道比涡扇发动机在不同环境条件下的起动特性,在获得该发动机部件高转速特性的基础上,发展各部件的低转速起动特性,建立了小型大涵道比涡扇发动机起动数学模型。然后利用起动数学模型编写相应的程序进行数值模拟,并将模拟结果与试验台数据进行对比,结果表明所建立起动模型能较为准确的模拟小型大涵道比涡扇发动机的起动过程。最后,利用已建立的起动模型研究了小型大涵道比涡扇发动机起动特性的影响因素。     

筒阀紧急动水关闭特性的数值模拟

为了防止水轮机飞选现象的发生,运用动网格和滑移网格技术,对动水关闭状态下的筒阀运动进行了三维非定常数值模拟和水力特性的研究．结果表明,筒阀的表面压力呈不均匀分布,引起的倾覆力矩最大值达2．94×10^4N·m．轴向力在筒阀关闭90％时达到峰值,并根据其变化的平稳程度提出了优化的筒阀关闭方式．此外,对筒阀表面的压力脉动进行了频谱分析,表明压力脉动的形成是尾水管涡带振动向上传递的结果．上述水力特性的分析不仅可以预测混流炎水轮机的工作状态．而且可以为筒阀运动的执行机构——多液压缸同步运动系统提供理论依据．