基于流固耦合航行体入水冲击数值模拟研究

针对航行体入水冲击过程中的流固耦合问题,利用任意拉格朗日 欧拉算法建立三维入水冲击数值仿真模型。首先,建立球体入水冲击数值模型,获取了入水过程中的冲击载荷和表面压力数据,通过与试验对比,探究网格密度、接触刚度耦合系数以及时间步长对仿真准确性的影响。结果发现,冲击区域网格密度和接触刚度耦合系数决定流固耦合接触刚度;冲击域的网状密度对冲击系数结果和入水速度变化有明显影响;耦合节点之间的接触刚度系数会影响局部压力峰值。最后,建立锥形头部圆柱体入水仿真模型,提出分段刚体计算截面载荷方法,研究不同速度下结构入水冲击加速度、速度、位移和截面载荷变化规律,与试验结果对比证明仿真准确性。     

跨介质航行器波浪环境入水流场演变和运动特性研究

跨介质航行器是一种既可以在空中飞行又可以在水下潜航的新概念航行器,基于仿生学原理,提出一种通过改变外形实现水空介质跨越的航行器模型,通过入水试验装置和计算流体动力学方法,对航行器带攻角从空气到水的介质跨越过程进行了试验和数值仿真研究,得到了跨介质入水过程航行器的运动姿态和入水空泡形态,并通过数值仿真得到了航行器的升力、阻力、速度和加速度演化规律。同时基于数值模拟方法对有波浪情况和静水情况下航行器入水过程空泡演变以及运动特性进行对比。结果表明:提出的航行器构型在水中具有较好的姿态调整能力,波浪的有无和波高的不同都会对航行体入水运动特性造成影响。     

不同密度比球体入水空泡流体动力特性研究

基于实验与数值计算相结合的方法,针对不同密度比的疏水性球体开展了垂直入水空泡形态及水下流体动力特性研究。建立了基于高速摄像法的小型航行体入水实验系统,并进行了入水空泡高速录像观察。基于VOF方法和动网格技术建立了考虑表面润湿性的回转体入水数值模拟方法。通过与实验结果对比,验证了数值方法的准确性和有效性。基于对实验与数值结果的分析,总结了疏水性球体的入水空泡及水冠发展随密度比与入水冲击速度的变化规律,对比了不同密度比球体在水下空泡夹断前后的流体动力系数。结果表明:随着入水冲击速度的增加,球体动能加大,入水空泡和水冠尺度增大,并从准静态闭合空泡逐渐发展为深闭合及面闭合空泡,临界速度随着密度比的增加而减小。此外,空泡夹断后会形成上下两股高速射流,射流的进一步运动加速了水面及球体附近空泡的溃灭。在流体动力特性方面,球体带空泡航行阶段的时均流体动力系数随密度比的增加而减小,而随入水冲击速度的变化较小,同时空泡夹断会造成流体动力较大波动。     

回转体倾斜入水空泡试验及六自由度数值计算研究

为研究回转体倾斜入水空泡及参数变化,基于低速入水试验装置和CFD软件对该问题进行了试验和数值仿真研究。通过试验对回转体倾斜入水的空泡演变进行研究,得到了不同时刻空泡形态图。数值计算选用基于N-S方程的雷诺平均(RANS)方法和基于k-ω的SST二方程湍流模型,建立了六自由度数值仿真方法。结果表明:数值计算得到的空泡形态与试验结果一致性较好,依次经历了撞击水面、空泡形成、颈缩、空泡断裂、空泡闭合、表面紊乱和空泡溃灭的过程。进一步分析发现速度、加速度和压力均在入水瞬间和空泡断裂时刻发生波动;偏转角度在回转体尾部刺穿空泡后增幅明显;随着入水角度增加,入水瞬间速度衰减加快、压力峰值增加,峰值出现越早,空泡闭合越难。     

空化对航行器垂向入水特性影响机理研究

航行器以一定速度入水过程中将发生空化现象,这对其受力特性及运动轨迹都有重要影响,是跨介质航行器的关键问题。针对航行器不同速度垂向入水中的空化现象开展了数值模拟研究,采用整体运动网格方法,分析了航行器垂向入水过程中,空化和入水速度对运动特性及流场演化的影响。研究结果表明,超空泡主要从航行器外形斜率改变处开始生成,空泡的闭合与溃灭都会造成受力曲线的较大波动。超空泡的减阻效果主要在航行器完全进入水面后体现,且航行器垂向入水速度越大,阻力系数越小。     

NEPE推进剂破片冲击数值模拟研究

为研究NEPE推进剂破片冲击响应特性,利用有限元动力学软件对NEPE推进剂受破片冲击的动力过程进行数值模拟,并进行试验验证。分析不同规格破片冲击起爆NEPE推进剂的情况,计算其临界起爆速度。结果表明,随着破片速度增加,NEPE推进剂受冲击响应情况有所不同,即破片速度在0～1121 m/s时,推进剂不发生反应; 1121～1247 m/s推进剂开始发生反应; 1247～2508 m/s推进剂响应情况由快速反应转为爆轰;破片速度大于2508 m/s时,破片直接引爆推进剂;破片质量和体积的增加都会使推进剂临界起爆速度减小,但影响程度递减;圆柱形和立方体破片冲击推进剂的临界起爆速度相近,都小于球形破片;钨合金破片和钢破片的临界起爆速度与破片质量和体积有关,但都小于铝合金破片。文中采用的破片冲击数值模拟研究方法可有效解决NEPE推进剂破片冲击特性研究的难题。     

着陆冲击仿真月壤本构模型及有限元建模

为建立合理的月壤有限元模型用于着陆器着陆冲击动力学仿真分析,在对已知月壤的相关力学特性参数和试验数据进行分析推理的基础上,推断出月壤屈服面在低围压条件下可能会呈现出剪切膨胀特性,而在高围压条件下则可能会呈现出塑性压缩和应变硬化特性,因此定性地选择帽盖德鲁克-普拉格（Cap Drucker-Prager,CDP）模型作为月壤本构模型。模型的参数通过月壤或模拟月壤的试验数据定量地标定。对着陆器地面着陆冲击试验进行有限元建模和仿真分析,仿真结果表明：模型参数的标定方法是合理可行的;CDP模型可以准确模拟月壤在着陆冲击载荷下的动力学响应,可用于着陆冲击动力学仿真月壤有限元建模。对月壤模型参数进行了参数分析,并评估了月壤模型参数对着陆器着陆冲击性能的影响。     

入水参数对“水漂式”航行体跨介质运动影响数值仿真分析

以"水漂式"跨介质航行体为背景,采用AUTODYN软件建立了不同入水角度,不同入水速度的"水漂式"跨介质航行体的入水模型,通过对数值仿真结果的分析,得到了入水角度、入水速度对出水角度、运动速度及运动轨迹的影响。有效地验证了该"水漂式"航行体功能实现的可能性。结果表明,在同一入水速度下,随着入水角度的增加,出水角增大;在同一入水角度下,随着入水速度的增加,出水角增大。     

高过载下固体发动机内Al2O3粒子运动状况的数值模拟

针对φ127 mm、φ315 mm试验发动机及大长细比发动机工作状态和结构特点,开展了燃烧室内三维两相流流动数值模拟,分析了横向和纵向加速度载荷对各种发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响。计算结果表明,不同轴向、横向过载对粒子的聚集位置、聚集浓度、冲击角度、速度有很大影响,轴向过载不变情况下,随着横向过载增大,粒子冲击速度减小、冲击角度增大、冲击位置前移,但粒子聚集浓度变化规律与轴向过载大小有关;药柱结构对发动机内粒子聚集也有很大影响,不同的药柱结构,过载的影响规律不同。     

临近空间载人舱着陆动力学及影响因素分析

为满足临近空间载人舱着陆缓冲装置可重复使用以及多着陆工况下能提供较好缓冲性能的要求，提出一种以双腔油气缓冲器为主支柱，单腔油气缓冲器为辅助支柱的新型着陆缓冲系统。针对舱体着陆过程，建立了考虑地面弹塑性变形的联合仿真动力学模型；通过与单腿着陆冲击试验的对比分析验证了所建动力学模型的有效性。在此基础上，研究了水平着陆速度，着陆俯仰角以及地面摩擦系数三种初始着陆条件对临近空间载人舱着陆性能的影响。研究结果表明：降低水平着陆速度可有效减小舱体水平着陆过载及提高着陆稳定性能；水平或小俯仰角着陆可使主、辅支柱的受载分配更加合理；减小足垫与地面间摩擦力可降低舱体竖直过载并提高着陆稳定性能。     

航行体高速入水问题研究综述

从理论研究、实验研究和数值仿真研究3个方面综述了航行体高速入水问题的研究进展。入水问题研究可分为入水冲击、空泡的形成演化以及入水弹道3个方向。在入水冲击研究方面,概述了入水冲击的理论计算方法、数值仿真方法以及入水冲击实验的研究进展;在入水空泡研究方面,概述了空泡的形成理论与形态演化模型、入水空泡实验以及数值仿真研究成果;在入水弹道研究方面,概述了入水弹道稳定性的实验、数值仿真研究情况。在此基础上,提出了后续入水研究发展重点方向。     

Simulation of rocket plume and lunar dust using DSMC method

When lunar modules land on the Moon, dust impingement on the lunar module components and deposition on the thermal and optical surfaces would cause many serious problems. The emphasis of this research is on simulating the interaction of rocket plume and lunar dust using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. The method is extended to model the movement and collision stages of rarefied plume gas and dust particles, including three collisional mechanisms: molecule–molecule, molecule–particle and particle–particle collisions. The reflection of gas molecules on the particle surface is computed by an indirect approach based on the coordinate transformation. Neighboring-cell contact detection scheme is applied to check for contacts between all possible particle pairs. The simulation results show that the acceleration of dust particle is mostly determined by the parameters of plume field. In the computational regions with larger gas density and velocity the particles can be accelerated to larger velocity and convected to higher temperature.     

含多间隙柔性可展帆板动力学建模及仿真

为研究柔性和多级铰链间隙对帆板展开过程动力学特性的影响，以月球车两级往复可展太阳帆板为研究对象，采用修正Coulomb模型表述摩擦力，通过接触碰撞力描述间隙，运用有限元法进行帆板柔性化，进而建立多间隙-柔性耦合的动力学模型。采用变步长伦哥库塔法进行数值求解，模拟帆板展开过程，分析了多间隙和柔性对帆板质心加速度、铰链间隙碰撞力等参数的影响。结果表明，在保证展开机构刚度要求的前提下，帆板柔性可补偿因铰间隙引起的加速度波动，减弱间隙处碰撞的剧烈程度，减小碰撞力幅值，进而改善帆板展开机构的动态特性。研究结果可用于指导月球车两级往复可展太阳帆板等同类型的可展机构动态优化设计。     

基于遥测数据的射前惯性测量系统稳定性检测方法

地地导弹惯性测量系统的稳定性直接影响导弹惯性导航系统导航的准确程度。介绍利用导弹射前的遥测数据及惯性测量系统误差补偿模型计算重力加速度和地球自转角速度方法,通过比较计算出的重力加速度和地球自转角速度与当地的实际值,检验惯性测量系统的稳定性,试验验证了该方法的正确性。     

遥测数据重建弹道校正方法

弹道导弹遥测系统数据丢帧一般采用直接插值法进行校正,这对导弹运动速度和位置而言精度不高。文中在分析弹道导弹运动特性的基础上,提出视速度增量校正方法,仿真表明该方法的计算精度高于直接插值计算方法。在此基础上利用该方法对速度和位置数据进行了增密,得到了步长小、精度高的增密数据。     

碰撞试验系统中加速度传感器特性仿真研究

航天器对接机构缓冲能力的强弱直接决定了航天器所受冲击的大小,因此对缓冲机构的性能进行测试/试验具有重要的意义。文章以赫兹弹簧阻尼理论为依据,通过仿真计算,分析了质量、速度对碰撞过程的影响;得到了加速度的频率特性;确定了碰撞试验系统中加速度传感器的选择原则。     

利用航天器分舱段振动试验数据获取整器响应的方法

未来大型组合体航天器振动试验可能难以在现有设备上进行,需要进行分舱考核。文章针对此问题开展了利用分舱段振动试验获取整器响应的方法研究。提出的方法为:根据不同界面下模态的映射关系,利用单舱段的振动试验数据辨识出舱段的两端固支模态;采用模态综合技术计算出整器组合体模态参数,拟合出结构的加速度响应传递函数;结合整器的加速度试验条件可以给出整器的试验响应曲线。仿真验证结果表明该方法合理可行,具有工程应用价值。