冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

薄壁管壳高速正撞击穿孔特性的数值研究

受径向曲率的影响,薄壁管壳遭受高速弹丸撞击产生的局部穿孔毁伤与薄板结构并不相同。本文利用LS-DYNA3D动力学程序,采用光滑粒子流体动力学和有限元法相耦合的方法(SPH-FEM),对球形弹丸高速正撞击不同直径薄壁钢管的穿孔毁伤特性进行数值研究。根据小弹丸高速撞击薄板的物理力学性质,可把穿孔过程简化为初始流动扩孔和随后的惯性扩孔两个阶段,提出一种圆柱管壳高速正撞击穿孔的简化物理模型,并分析圆管直径对轴向孔径和径向孔径尺寸差值比的影响。数值模拟结果表明,撞击速度为2~3 km/s时,薄壁钢管的正撞击穿孔略呈椭圆状,其轴向孔径尺寸稍大于径向孔径尺寸;随着薄壁钢管直径的增加,两个方向的孔径尺寸差值比减小。另外,薄壁钢管遭受小弹丸撞击穿孔后产生碎片云的分布形态受径向直径影响明显,相同撞击条件时,钢管直径越大,则产生碎片云的膨胀角和残余速度也较大。     

粗糙度对水滴飞溅特性的影响规律研究

为研究表面粗糙度对水滴撞击飞溅特性的影响,在不同温度、不同粗糙度表面条件下开展了水滴撞击飞溅动力学实验。实验通过高速摄像机,观察记录了水滴撞击不同粗糙度表面时,飞溅子液滴的直径、反射角度与速度等信息,由此分析了表面粗糙度对水滴飞溅特性的影响规律。研究结果表明:在一定撞击参数K范围,子液滴直径主要受粗糙度的影响,表面越粗糙,子液滴平均直径越大;粗糙度对子液滴法向和切向速度的影响呈现出相反的规律;子水滴无量纲角度与粗糙度St呈现正相关,尽管在St0.1时,温度影响开始出现,但相比粗糙度仍然是小量。     

润扬大桥悬索桥桥址风环境的长期监测与分析

基于结构健康监测系统记录的2006年桥址日常持续风环境数据,开展了润扬大桥悬索桥桥址平均风特性及湍流脉动特性的分析研究,给出了湍流度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风功率谱密度函数的推荐值或公式,进一步研究了平均风速与上述湍流特征参数的相关性以及湍流特征参数之间的相互关系.分析结果表明:①湍流度、阵风因子和湍流积分尺度的实测统计值均高于规范推荐值;②纵向风谱拟合模型与Simiu谱较为接近,但横向风谱拟合模型则与之相差较多,并且都存在拟合模型中湍流动能往高频偏移的现象;③湍流度、阵风因子和湍流积分尺度之间存在较为明显的相关性,并且与平均风速也存在一定的相关性.     

过冷大水滴条件下结冰相似准则

虑到中国现有结冰风洞在过冷大水滴(SLD)结冰条件模拟能力方面的局限,发展SLD结冰风洞及其相应的缩比方法迫在眉睫。研究了大水滴运动机理,并依据绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似、结冰过程热力学特性相似原理,提炼出SLD结冰条件下的6种相似缩比准则,利用结冰数值模拟软件FENSAP-ICE对所提相似缩比准则进行筛选与比较,从而基于结冰相似百分比量化判断准则找出给定条件下的最优准则法。结果表明:考虑SLD运动特性的撞击参数与ONERA法相耦合的方法以及撞击参数与Ruff法相耦合的方法的计算结果与实际成冰构型吻合良好；此外,撞击参数与ONERA法相耦合的方法在计算直径为171 μm的SLD时优于其他。      

多序列激光阴影成像技术研究及应用

为获取超高速碰撞过程中弹丸的飞行姿态及碰撞所产生的碎片云特性,开展了多序列激光阴影成像技术研究。利用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大和补偿滤光等技术解决了单色光带来的衍射和干涉噪声以及碰撞瞬间强烈的自发光干扰问题,并先后在碰撞靶上建立了2序列、4序列和8序列激光阴影成像系统。该系统可以获得最小间隔1μs、曝光时间10ns、像素1000万的多个不同时刻的超高速瞬态变化过程图像,并在超高速碰撞靶试验中得到应用,获得了2～7km/s 撞击速度时碎片云的多序列阴影图像,该序列图像清晰地描述了碎片云的轮廓发展变化过程。该技术以低成本的方式实现了超高速摄影机的功能,满足目前碰撞试验粒子的飞行姿态及碎片云显示需要,并可以应用于其它超高速瞬态过程测量及流场结构显示。     

铝-铝超高速碰撞闪光现象的初步实验测量

 为了研究不同碰撞参数条件下超高速碰撞闪光的特点及闪光温度的变化规律,构建了高温计及附属实验测量系统平台,利用该平台进行了超高速碰撞闪光的初步测量。根据Planck辐射的基本理论,对每次实验的碰撞闪光强度进行了4种波长的采集并对温度进行了拟合计算,得到了碰撞闪光温度历史。实验结果表明：对于弹丸、靶板材料均为LY12铝而言,碰撞角度（与靶板平面夹角）相同、碰撞速度在5.35~5.97 km/s范围内时,碰撞速度对碰撞闪光温度影响不明显;然而,碰撞速度相近,碰撞角度越大,碰撞闪光温度越高。     

基于统计学特征的密集型气液雾化随机模型优化方法研究

在高气液动量比的空气雾化流场中，液滴和液丝从液核剥离的过程具有高自由度、分布密集的特点，传统理论模型难以对其准确预测。本文对结合大涡模拟方法的随机雾化模型进行优化，在初始雾化过程，提出使用液滴统计平均温度来表征液滴碰撞统计学特性的改进方法。液滴的统计平均温度分别采用气液相对动能模型的粒子追踪法和亚网格动能模型的粒子追踪法。研究表明，使用改进的气液雾化随机模型预测密集型空气雾化流场，大幅改善了传统雾化随机模型在初始雾化区域过预测的缺陷，平均动能的相对误差为15.5%，平均索特尔直径的相对误差为7.2%，与未改进前的模拟结果相比，误差降低了41.1%和15.0%。此外，本文还探究了喷雾张角模型对雾化流场预测结果的影响，分别将实验所得经验公式法、相界面气液动量平衡所得模拟法与亚网格动能模型的粒子追踪法结合。结果表明喷雾张角经验公式预测结果更为准确，在平均索特尔直径预测方面准确性提高了17.3%。     

基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析

使用超高速碰撞数值仿真技术,结合自主开发的碎片识别统计方法,以Iridium33与Cosmos2251卫星在轨撞击解体事件为例,进行了在轨卫星碰撞解体碎片分析.通过有限元方法(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的复合算法,从图形角度识别出碎片云中的大碎片,然后利用二值图转换与二值图连通域的快速统计,提取出了碎片数目...     

基于LIBS研究丙烷层流预混火焰温度和当量比的空间分布

激光诱导击穿光谱（LIBS）是监测燃烧过程关键参数的重要手段之一。为此搭建了LIBS三维可移动实验测量平台,结合等离子体能量和光谱研究了丙烷层流预混火焰的空间结构,得到了不同当量比和不同高度的温度趋势和当量比空间分布。结果表明：本生灯火焰预混燃烧区厚度随高度增加而增加;H、N、O的谱线强度和等离子体能量变化趋势一致,说明粒子体积分数是影响等离子体能量的主因。通过标定H656和N746的谱线强度比值与当量比的关系得到了局部当量比的空间分布。     

亚毫米级弹丸光电探测技术

本文在片光遮挡式弹丸探测技术基础上发展了光电阵列探测亚毫米级弹丸技术,论述了光电阵列探测亚毫米弹丸的技术原理,详细介绍了光电阵列探测系统的探测光路和探测电路设计方案,研制了光电阵列探测系统的动态试验验证装置。在超高速碰撞靶上开展了动态验证试验,试验结果表明,采用光电阵列探测技术,大幅提高了弹丸信号的信噪比,能够可靠探测直径为0．6mm 的高速弹丸,通过分析表明该技术能可靠应用于直径为0．1mm高速弹丸的探测。     

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2．5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34．4MPa。研究发现：在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2．5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2．0～2．3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23＆#176;,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度 v=4．6km／s时碎片云的四序列阴影照片。笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍。调试及试验结果表明：（1）该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;（2）该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示。     

N型防护结构的试验与仿真研究

在不增加空间碎片防护结构整体尺寸和质量的情况下,基于防护结构在斜撞击条件下弹道极限高于正撞击条件下弹道极限的特性,研究了一种将3层平行铝板结构的中间层进行倾斜的N 型防护结构,采用超高速碰撞试验和三维SP H 数值仿真方法,定量对比了N型防护结构与相同面密度3层平行铝板结构的防护性能。研究结果初步证实,在正撞击情况下,倾斜的中间层具有提升结构防护性能的作用。     

泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学(SPH)程序进行了超高速撞击数值模拟,研究了平均孔洞直径和孔隙率对填充泡沫铝结构防护性能的影响。结果表明平均孔洞直径对防护性能影响较大,总体而言平均孔洞直径越小则防护性能越好。孔隙率只在高速时才有较大影响,并且存在最优值。通过不同泡沫铝几何参数下碎片云特性的对比分析表明,使碎片云的法向动量越有效分散,结构的防护能力越强。     

钢球对肥皂靶的撞击试验

为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3．0mm 的钢球高速（0．96和1．88km/s）及超高速（3．52和4．98km/s）撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明：高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面：一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。