水下发射航行体出水过程瞬态响应的谱分析方法

水下航行体在穿越水面时,受到移动式空泡溃灭压力作用,激起结构较大瞬态响应,因此其出水问题是工程设计的关注焦点。针对移动载荷作用下的水下航行体的瞬态响应问题,提出了基于冲击响应谱的谱分析方法,对于多模态下的综合方法进行了研究和比较,并对航行体出水动态响应进行了分析。采用本文方法可以在频域中迅速地获得结构动态响应解,并与时域解具有较好的一致性,且可以考虑外力随机分布下的动态响应,具有较好的适应性。     

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。     

超空泡航行体流体动力数值研究

超空泡技术作为水中航行体增速减阻的重要手段已经成为了共识。超空泡航行体作为目前最具有应用前景的水下航行体,对其流体动力变化规律的研究具有重要的意义。基于有限体积方法,结合N-S方程与空化模型,建立了超空泡航行体自由运动的非定常流场求解数值模拟方法。通过对非定常超空泡流场计算结果的分析,对航行体的流体动力进行分解和建模。结合相关理论分析,确定了超空泡航行体流体动力公式。研究表明,尾拍力与空泡壁面形状、航行速度及尾部沾湿面积等密切相关。     

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。     

海流对出水空泡演化过程影响机理数值研究

采用数值仿真手段,重点针对海流对空泡演化过程的影响开展研究,形成考虑海流影响的空泡多相流理论与数值计算方法,分析了海流流向及流速影响,获得了海流对空泡发展演化的作用机制及对航行体流体动力特征的影响规律。研究结果表明:航向海流对溃灭阶段的空泡形态变化影响较为明显,不同海流工况下,泡内水、气分布有所不同,高压产生次序及溃灭过程的流动结构变化也因此不同。横向海流作用下的空泡形态差别不大,受到合成来流方向发生偏转的影响,迎流面向横向来流方向偏斜,造成空泡形状不对称。     

水下垂直发射航行体空泡流动研究

水下垂直发射航行体是工程研制的重要对象之一,水下垂直发射技术是航行体研究的核心与关键。动基座发射与跨介质飞行是水下垂直发射的两个突出特点,特别是在一定条件下出现的空泡现象使得水下垂直发射物理现象异常复杂。鉴于此,系统梳理了水下垂直发射需要关注的问题,介绍了水下垂直发射航行体空泡流研究的主要技术途径和研究手段,探讨了未来的主要发展趋势。     

航行体垂直发射过程不确定性量化方法的探讨

在发射平台运动、海浪及海流、气水介质突变、空泡溃灭等的影响下,航行体水下垂直发射呈现出干扰因素随机性强、干扰量大、弹道参数变化剧烈等特点。在分析、辨识各种干扰因素的形成机制及组成结构的基础上,建立了描述航行体水下发射过程不确定度的数学模型;介绍了近年来国际上较为热门的不确定性量化研究中的数值方法和进展,主要讨论了基于多项式混沌理论的不确定度量化方法;最后,探讨了未来航行体水下发射过程不确定性量化研究所面临的一些挑战和亟待解决的问题。     

凹槽参数对通气空泡融合的影响

水下航行体通气技术形成的空泡能够有效降低航行阻力并调节运动姿态,但通气空泡在航行体表面不易融合,空泡形态不稳定,因此开展通气空泡的融合控制具有重要工程应用价值。采用有限体积法进行数值计算,研究了航行体孔后开槽对通气空泡融合的控制作用,并探究了不同凹槽参数对通气空泡融合的影响。研究发现,凹槽改变了空泡的流场特性,槽内产生的旋涡卷吸流经凹槽的气体,使槽内气体向航行体周向发展并融合;当槽宽取0.125D,孔槽间距取0.075D时,对空泡融合的促进以及稳压效果最佳。     

水下航行体减阻技术综述

空/水跨介质飞行器经空中飞抵目标水域后高速入水,对目标实施快速打击,具有隐蔽性好、突防能力强等特点。但在水下航行中,固/液界面阻力及绕流流场变化等问题严重影响了航行速度与稳定性。减小航行体表面阻力干扰、流场优化是保障水下高速稳定航行的关键。旨在探讨适用于水下高速航行体的表面减阻与流场优化方法,对表面微结构减阻、超疏水表面减阻、超空泡减阻和微气泡减阻4种最具代表性的固/液界面减阻技术进行论述,分析各种减阻技术的机理与应用可行性,探讨适用于水下高速航行体的减阻技术发展方向。     

垂直发射水下航行体的通气空化数值模拟研究

基于均相流模型对垂直发射水下航行体周围的通气空化流动进行了三维数值模拟,通过与试验得到的压力数据比较验证了数值方法的可靠性,并讨论了通气时序对通气空化流场的影响。结果表明:计算结果与试验吻合较好,通气能提高空泡内压力且不同位置压力一致,空泡末端存在回射高压;随着通气时刻提前,泡内压力和回射高压增大;空泡的发展过程伴随着旋涡的形成与演变,通入空泡的气体有3种流向,气体的运动导致空泡内产生多个旋涡,旋涡的种类可以分为3类。     

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。     

基于变体积力的跨水气界面多相流及流固耦合问题实验方法研究

航行体跨水气界面过程物理现象复杂并且多种力学效应耦合,相关研究往往需要利用缩比模型实验开展。已有缩比模型实验体积力保持不变,主要考虑弗劳德数和空化数相似,难以分析其他相似参数影响。利用离心机形成可变体积力环境,增加了实验可控参数,提高了实验模拟参数的完备性。通过流动和结构形变理论分析,形成了基于变体积力的跨水气界面多相流及流固耦合问题研究方案,可在考虑弗劳德数和空化数影响条件下,进一步考察雷诺数或结构形变的影响。针对上述研究方案,分析了缩比模型实验模拟条件并开展了仿真计算,验证了所提出实验方案的可行性,为跨介质问题研究丰富了探索途径。     

潜射导弹大攻角空化流动特性计算研究

潜射导弹水下高速运动时,弹体表面的空化现象对导弹的受力及力学环境有重要影响。通 过数值模拟,对大攻角情况下空化流动的特性进行研究,计算结果与试验值吻合较好, 验证了数值算法的准确性。得到弹体表面的压力分布情况,获取了不同攻角下空泡的不同形 态,分析了不同攻角、空泡数对弹体受力的影响。     

潜载导弹近筒口点火数值仿真

针对无横流影响的潜载导弹近筒口点火瞬态流场变化情况,建立多相流数学模型,考虑空穴模型,基于动网格技术,实现了潜载导弹弹射出筒、近筒口点火方式发射过程尾空泡的演变过程以及弹体、固壁的压强变化。仿真结果表明,筒口效应导致固壁各处的压强阶跃;近筒口点火后,尾空泡不断的颈缩、膨胀导致压强脉动,但不会产生断裂和回击现象。在筒口气团闭合后点火对筒口产生更大的压强脉动,有可能对固壁产生破坏。