质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)方程、SST(Shear Stress Transport)湍流方程和不同介质之间的质量输运方程,结合刚体运动方程和网格变形方法,研究了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动特性以及尾拍运动下超空泡形态特性,对比分析了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动的刚体运动和尾拍力的变化特征.结果表明,射弹尾拍运动对空泡形态的对称性有较大影响,发生碰撞处的空泡壁面朝着弹体转动的方向发展;射弹尾拍运动的转动角度、角速度、角加速度以及尾拍阻力和尾拍升力等都表现出周期性变化规律,且随着质心与射弹头部距离的增加,转动惯量增大,变化周期也增大.     

超空泡鱼雷外形优化

为了优化超空泡鱼雷的外形参数,获得同一空化数下的最大航行体体积,基于经验公式,考虑到空泡与超空泡雷体的关系,通过对圆盘空化器产生的超空泡形态近似处理和对超空泡鱼雷外形分段分析,推导了航行体最优外形下的半径计算公式.计算了一定空化数下航行体优化后的体积,与已有的某超空泡航行体原型做了对比,验证了优化结果的有效性.结果表明,外形优化能够增加航行体的容积和航程,提高超空泡鱼雷的性能.这为提高超空泡鱼雷的航程提供了一个方向,对今后超空泡航行体外形的优化设计提供参考.      

回转体倾斜入水空泡及弹道特性实验

针对回转体低速倾斜入水过程空泡的生成机理和演化特性开展研究。通过不同入水速度和入水角度回转体倾斜入水对比实验,研究了入水速度和入水角度对入水空泡、回转体速度、俯仰角及阻力系数的影响规律。研究结果表明:空泡深闭合时刻的空泡长度、最大空泡直径和空泡闭合点深度随着回转体入水速度的增加而增大;空泡深闭合发生时间随着入水速度的增加而小幅增大;同一入水时刻回转体俯仰角和俯仰角速度均随入水速度的增加而减小;随着回转体入水角度的增加,同一时刻入水空泡直径和回转体速度逐渐减小,阻力系数逐渐增大。      

圆柱体垂直入水空泡形态试验

在不同攻角和不同速度条件下,对圆柱形运动体垂直入水空泡形态进行试验研究.对140°锥角头型圆柱体在零攻角和带攻角条件下进行垂直入水试验,分析了低速垂直入水所引起的入水空泡生成、发展和闭合流动过程以及空泡稳定性等;利用平头圆柱体进行不同速度条件下垂直入水试验,分析了入水速度对空泡闭合方式和形态的影响.研究结果表明:在试验速度范围内均能形成稳定的入水空泡,并经历生成、充分发展、空泡闭合以及最后完全脱落的过程,不同发展阶段具有不同的稳定性,其闭合方式和形态与入水速度密切相关.     

锥头圆柱体高速入水空泡数值模拟

采用流体体积法（VOF,Volume of Fluid）多相流模型,引入动网格技术,对锥头圆柱体垂直自由高速入水问题开展了数值模拟研究,分析了航行体入水后速度及入水空泡形态的发展规律,并与文献基于能量守恒定律的理论结果进行比较,两者吻合较好.研究结果表明,高速入水初期,结构受到极高的冲击载荷,导致速度迅速衰减;随着入水深度的增加,空泡不断拉长并向径向扩张,空泡内空化现象明显,空泡内混合相对空泡壁及空泡分离点附近压力分布影响显著.对于不同速度入水的研究结果表明,入水速度越高,航行体头部压力峰值越大,相同时刻入水空泡最大直径也越大.      

超空泡水下航行体的结构动力响应特性

通过综合有关文献的理论,得到作用于超空泡水下航行体尾部的冲击载荷与航行速度的关系,然后利用有限元法研究了在不同速度条件下航行体的结构动力响应和变形特性.得到了加速度响应的主频率及其取值区间、航行体内的最大应变值及其分布位置;并给出了加速度响应主频率以及航行体内最大应变值与运动速度的关系.计算结果表明:存在2个加速度响应主频率,当航行体航速相对较低时,应采用第1个主频率作为结构设计时的参考频率,速度较高时应采用第2个主频率;计算还表明:航行体内最大应变值随着航速的增加而显著增加.结果对超空泡水下航行体的结构强度分析和结构优化设计有着指导意义.     

基于流动控制的水下航行体流体动力特性分析

利用CFX对水下航行体流体动力特性进行了数值模拟研究.求解了混合介质的剪切压力输运湍流模型控制方程、雷诺-平均奈维尔-斯托克斯方程以及各相间的质量输运方程,采用三维数值模拟方法对比分析了不同流动控制方案的水下航行体空泡形态特征、表面压力分布和阻力系数变化特性,讨论了不同参数对减阻效果的影响.结果表明,对于有横流作用的水下垂直发射航行体,多相流动控制不仅可以降低通气空泡的不对称性和航行体阻力,同时可以均匀迎流面和背流面压力,从而实现航行体多相流空泡形态及表面压力特性等的控制.此外,通气口的位置对减阻效果具有显著影响.      

基于尾流的超空泡航行体变结构制导律设计

针对超空泡航行体机动能力差、探测手段有限等特点,提出了一种基于目标舰船尾流梯度信息的变结构制导律.通过激光探测机动目标的尾流信息,动态解算尾流梯度方向;采用滑模变结构理论设计制导律,实现对尾流梯度方向的精确跟踪,最终完成对目标舰船的精确打击.该方法利用目标尾流信息,避免对目标运动状态进行复杂估计计算,不仅降低了对机动能力的要求,同时大大减小能量消耗,提高了有效航程.仿真结果表明,系统响应迅速,可以实现快速精确的目标跟踪打击,且具有很强的鲁棒性和抗干扰性.     

通气位置对潜射航行体流体动力特性影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS方程、SST湍流输运方程和各相之间的质量输运方程,开展了通气位置对潜射航行体流体动力特性影响的三维数值模拟研究,对比分析了不同通气位置条件下空泡形态特性、表面压力分布以及阻力变化特性.结果表明:当两个通气口间距增加到一定值后,在两个通气口之间区域空泡发生断裂,在断裂区域迎流面和背流面表面压力值升高,且在空泡断裂闭合位置出现压力峰值;在相同通气量条件下,随着通气口间距的增大,压差阻力系数和粘性阻力系数均呈减小趋势变化.     

基于CFD/CSD耦合的高速射弹尾拍载荷特性研究

为提高射弹尾拍载荷的预测精度，建立了一套基于计算流体动力学（CFD）/计算结构动力学（CSD）双向耦合分析的计算方法和程序。射弹流体计算主控方程采用耦合SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型的Navier-Stokes方程，射弹结构计算采用基于模态叠加法简化的结构动力学方程，流固耦合界面插值采用径向基函数法，网格变形采用弹簧网格法。分别对泡型计算方法和流固耦合方法进行验证，在此基础上，计算对比1 000 m/s速度下射弹刚体和弹性体的尾拍泡型、结构变形和尾拍流体载荷特性差异。计算表明：弹性体尾拍过程，射弹泡型会产生弹身“二次拍击”、“局部沾湿”和沾湿面积增大等特殊现象，结构变形由弹性一弯模态主导，较大的变形引起流体载荷增大27%～105%，尾拍姿态角增大13%，尾拍频率增加20%，流固耦合效应对尾拍泡型、尾拍载荷和尾拍弹道均产生了较强的影响。     

The characteristics of arm movements executed in unusual force environments.

Human subjects pointed at stationary visual targets without sight of their arm while the force environment was varied by applying weight or spring loads to the hand. The path travelled by the finger, pointing accuracy, and the shape of the finger velocity profile remained invariant across all force environments after a single practice trial. However, the magnitude and duration of the velocity profile depended consistently on the presence and size of a weight load. In contrast, velocity was not affected by spring loads. An analysis of movement dynamics in our study indicated that inertial and gravitational load components were compensated by separate mechanisms, the former employing time- and the latter magnitude scaling of muscle force profiles. The presence of such separate mechanisms led us to predict little problems for movement dynamics in weightlessness, which was indeed confirmed in a study on pointing movements aboard the KC-135 aircraft.     

轴向通流旋转盘腔内流动不稳定性研究

为了研究旋转腔内流动不稳定性问题,采用旋转坐标系稳态方程,用数值模拟的方法分析了轴向通流旋转盘腔内的流动,得到了旋转系下哥氏力和离心浮升力分别对流动不稳定的作用,以及这两个力的非线性综合作用对流动不稳定的影响.结果表明:哥氏力是恢复力,不影响流动稳定性;离心浮升力是造成流动不稳定的主要因素,盘腔内的流动是离心力场下的Rayleigh-Benard对流和强迫对流的混合流,随着浮升力的增强流动由稳态发展为非稳态;哥氏力与离心浮升力的综合作用加剧了流动不稳定性,盘腔内r-θ面出现了明显的旋向相反的对涡.     

旋转状态下涡轮叶片前缘的流动与换热

用数值模拟的方法对旋转状态下涡轮叶片前缘冷却结构进行了数值研究,该结构由进气腔、叶片尾缘块和前缘块构成,对此结构不同的旋转速度情况进行了计算,根据计算结果分析了旋转对涡轮叶片前缘流动与换热的影响.计算结果表明,旋转状态下带气膜出流的冲击流动中,前尾缘冲击面的换热随着转速的增加而减小,且尾缘冲击面的换热比前缘冲击面的换热要好;同时前尾缘冲击面换热的差别随着转速的增加将越来越小.     

AUV自航对接的类物理数值模拟

为了预报dock对自主水下机器人（AUV）水动力性能的影响，提高AUV水下对接成功率，提出一种多块混合网格结合动态层方法和用户自定义函数（UDF）的方法，应用于基于离散螺旋桨的AUV自航对接的类物理数值模拟。所提方法采用移动子区域代替传统的移动边界，可提高数值计算效率。在验证了AUV自航试验速度的基础上，对AUV自航对接的水动力和流场进行分析。结果表明，AUV在螺旋桨定转速300 r/min推进作用下，自航对接时间约16 s，终端速度为0.75 m/s。对接速度满足对接碰撞需求。dock对AUV运动影响:在对接井口B点之前起阻碍作用，在B点之后起吸附作用。AUV对接阻力增加2.4%，增幅小，可实现与dock对接。