复杂外形导弹出水过程空化流数值计算研究

基于Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用动网格和复合网格技术,提出了一种复杂外形潜射导弹出水过程中空化流数值计算方法。对头肩部、舵面及突起物的空化生成、演化及影响因素进行了分析。结果表明,出水过程初期空化数降低使附体空泡迅速扩大,随后空泡脱落与振荡的影响将更为显著；肩部在15m/s出水时产生空化并随速度上升而迅速增长, - 攻角时肩空化非对称性显现；舵面空化受出水速度影响较小, 攻角以下时空化面积小于全舵面积的10%,但攻角超过 后空化面积迅速增长至50%以上；减小突起物尺寸有利于避免空化产生,突起物空化受攻角影响较小,但在高速下可诱导临近弹体产生空化。     

复杂外形导弹带空泡出水动力学特性研究

首先对潜射导弹出水过程进行动力学和运动学建模,随后基于Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对带空泡的潜射导弹水动力学特性进行了数值计算研究。最后,依据以上动力学和运动学模型,对波浪扰动作用下,潜射导弹带空泡出水弹道及弹体姿态进行了数值仿真。结果显示,零攻角出水时,导弹轴向力系数随弹体空化扩大显著增加,压心后移;有攻角出水时,弹体法向力系数增量随攻角增加呈现先增大后减小的趋势。空化使潜射导弹出水速度降低约10%,出水时间延长约12%,导弹受波浪扰动程度增加约6%~7%。     

基于面元法的扭曲舵片空泡数值预报研究

为了比较分析扭曲舵和普通舵的空泡性能,首先采用面元法得到螺旋桨尾流场,以此作为舵的来流输入条件;然后,通过基于速度势的面元法对舵上的片空泡进行计算,得到舵片泡的范围和厚度分布,并对两种舵在不同航速不同舵角的片空化形状进行了计算比较。结果表明:扭曲舵可以明显提高舰船舵的无空化航速,且在一定航速下可提高舵的无空化舵角范围;发生空化时,扭曲舵的空化范围比普通舵明显小。     

水速对潜射导弹出筒流场和弹道影响

为了研究水流速度对潜射导弹出筒过程的影响,基于混合多相流模型、Singhal空化模型和导弹动网格技术对不同流速下导弹弹射出筒过程流场进行数值计算,获得了考虑肩部空化现象的导弹出筒多相物理现象和发射装置载荷。结果表明,流速带来了流场的不对称;随着流速的增加,迎流面空泡长度减小,背流面空泡长度增加;导弹迎流面壁面压强大于背流面压强,从而形成侧向力,弹体在水流方向发生偏转。研究结果对于水下发射理论研究和工程应用具有指导意义。     

某型末制导炮弹惯导飞行角运动研究

为研究某型末制导炮弹惯性飞行过程的稳定性,建立该炮弹在惯导飞行阶段有控弹道攻角运动方程.基于该攻角运动方程,求解方程特征根推导出末制导炮弹自由运动的稳定性条件,并给出舵片偏转控制力对弹体强迫作用的解,分别讨论了影响自由运动和受迫运动稳定性的因素.分析结果表明,惯性飞行过程中,舵面参数以及弹丸转动角速度是影响飞行稳定的主要因素,舵片偏转过程与弹丸共振条件无关.     

二维水翼非定常空化流动动力特性的频谱分析

以雷诺平均模拟方程(RANS)为核心,采用RNGk-ε湍流模型与均相流空化模型,对二维水翼附近空化流场进行数值计算。在固定来流速度和空化数条件下,研究了空化形态随着水翼攻角的改变而变化的情况,并采用傅立叶变换(FFT)对水翼升力周期性信号进行了频谱分析。结果表明:水翼的空化形态是由空化数和攻角共同决定的,当空化数不变时,随着攻角的增大,空化程度更加趋于剧烈;在片状空化阶段,升力信号频率为低频信号,并随着攻角增大频率略有降低;在云状空化阶段,升力信号频率为中高频信号,随着攻角增大频率也略有降低;空化形态由片状空化阶段向云状空化阶段转化,在转化过程中存在一个过渡阶段,其升力信号频率在各个频段均具有一定的特征。     

基于Richardson外推法的CFD离散误差分析

为研究数值模拟中网格类型及网格尺度变化对离散误差产生的影响,对NACA2412三维翼型在0°、4°、8°、12°攻角下进行了计算流体力学(CFD)仿真,得到了对应条件下的升力系数及阻力系数,利用Richardson外推法研究多套连续变化的结构网格及非结构网格数值解的空间离散误差,并结合网格收敛指标(GCI)法对误差进行...     

半穿甲导弹性能的攻角效应数值分析

利用LS—DYNA软件分析弹体攻角和目标运动对穿甲过程中装药安定性、弹体剩余速度及弹头姿态的影响。在穿甲过程中，弹体速度为300m／s，攻角分别为0°，10°和20°，弹体和目标板选择了考虑应变、应变率和温度效应的Johnson—cook材料模型。结果表明：随攻角的增大，装药局部受力显著增大，弹体剩余速度下降，弹头发生偏转；目标运动使穿甲能力减弱，但目标运动会使装药受到的外力在一定程度上减少。     

旋成体射弹倾斜入水运动仿真

为了研究运动参数和弹头外形对弹体斜入水过程的影响规律,采用气液两相流体积分数和水汽空化模型,通过嵌套网格实现刚体三自由度运动学和动力学耦合,模拟了弹体以80～100 m/s速度倾斜入水开空泡阶段的运动过程。经文献实验验证,入水弹体速度与位移的误差为0～6%和-8%～0,转动角度误差为-6%～0。通过对入水速度和入水角度的多工况模拟研究,发现入水速度增大,弹体轴向冲击载荷增大,最大载荷与速度的平方呈线性关系,弹体速度非线性衰减率大;入水角增大,弹体转动角速率减小,运动稳定性强,速度衰减率不受入水角影响。与圆锥头部弹体相比,采用头部阶梯状修型后的弹体的平均速度衰减率、转动角速率和最大轴向冲击载荷分别降低到66.7%、40%和77.2%,显著提高了运动稳定性。     

二维水翼空化流动的数值模拟

基于RANS方程,结合不同湍流模型与空化模型对粘性流中二维NACA66012模型水翼附近流场进行数值计算与模拟.计算得到固定攻角、固定来流速度时升力系数和阻力系数随空化数的变化规律以及固定空化数时升力系数随攻角的变化规律,并对相应流场进行分析.在二维水翼空化流动的准稳态模拟中,重点对比分析了不同湍流模型、空化模型对空化流动模拟结果的影响,并将计算结果与实验数据进行比较.研究结果表明,在二维水翼附近空化流动的数值模拟中,采用k-ω湍流模型和均相流空化模型计算得到的结果与实验数据吻合较好.最后,采用分离涡模型对不稳定的空化流动进行了瞬态模拟,并得到空化流动的变化规律.     

固定舵二维弹道修正组件结构模型

为了满足二维弹道修正组件小型化设计要求,设计了3种二维弹道修正组件模型,应用Solid Works软件和ICEM软件分别建立3种修正组件的实体模型和网格模型,并利用Fluent软件进行气动特性数值计算,将计算结果进行对比分析,得出不同修正组件模型参数对气动特性的影响。研究结果表明,修正组件尺寸的减小会增大阻力系数;舵片形状和尺寸对阻力系数和升力系数影响较小,但是对滚转力矩系数影响较大,矩形结构的舵片对舵片周围气动特性会产生不利影响;在满足修正要求的前提下,可以适当缩小舵片面积来降低舵机控制难度,提升飞行稳定性。     

弹体入水弹道研究综述

描述了弹体入水过程4个阶段撞击、流动形成、开空泡、空泡闭合的基本特征．分别讨论了弹体形状、入水角、入水速度、攻角、初始角速度和水域环境对入水弹道的影响．综述了弹体入水弹道的实验与理论研究概况,提出了有待进一步研究的工作．     

再入快速抵达轨迹优化设计方法

针对再入初始速度大、飞行时间约束苛刻的轨迹设计问题,提出一种基于遗传算法和攻角+倾侧角联合优化的再入快速抵达轨迹优化设计方法。该方法在再入初段利用较大攻角迅速减小弹道倾角和拉平弹道,在再入后段/滑翔段联合设计和优化攻角+倾侧角变化规律以显著降低终端飞行速度,同时满足终端高度、终端航向角、最大动压、最大热流等约束条件。该方法能够提升传统升力体飞行器再入快速到达能力并拓展其应用范围。仿真结果表明,在典型飞行器参数和较大初始再入速度条件下,全程飞行时间小于12 min,终端速度能够小于7Ma,横向机动距离超过800 km。     

高雷诺数时筒形桅杆在均匀流场中的风载实验研究

在哈尔滨工程大学船模拖曳水池中,研究了雷诺数在3.19×104~1.15×106的范围内,表面倾斜且前后不对称的筒形桅杆攻角从0°~180°,以15°为间隔,在均匀流场中所受的风载。分析了桅杆所受的周向压力、轴向压力和St随雷诺数和攻角的变化趋势。结果表明,倾斜壁面和攻角改变对压力分布和St有较大影响。     

攻角对双三角翼旋涡特性影响的数值模拟

采用数值方法研究了双三角翼上涡流运动随攻角的变化规律.计算取层流假设,研究了攻角在5°～30°,76°/40°后掠双三角翼绕流的流场结构随攻角的变化,并对双三角翼上涡破裂现象对流场结构及气动力性能的影响进行了分析.结果表明,双三角翼上的多涡结构存在强烈的相互影响,较大的攻角会导致涡破裂在翼面上发生,严重影响了双三角翼的气动力性能.     

高超声速飞行器边界层外缘参数仿真分析

以高超声速飞行器为研究对象,构建快速准确计算高超声速飞行器无黏边界层外缘参数的计算方法。拟合空气比热、比热比随温度变化曲线,建立空气属性温度划分准则。基于不同空气属性建立高超声速飞行器边界层外缘参数工程与数值计算模型,采用钝双锥模型,对比分析工程估算、无黏数值及有黏数值计算方法的计算结果。结果表明,0°攻角状态下,基于无黏流场的数值计算与工程估算和有黏数值计算的压强最大差值分别为1.19%和2.39%;10°攻角状态下,最大差值分别为5%和50%;从而证明所提出的无黏数值计算方法明显优于工程计算方法,为进一步快速准确计算高超声速飞行器气动热环境奠定了重要基础。     

基于B样条的螺旋桨升力面设计

为了改善螺旋桨的空泡性能,从效率和空泡性能2个方面的权衡来确定环量分布.在升力面理论设计中计及桨毂的影响.桨叶几何用较少的B样条控制角点来表示.将升力面理论计算的控制点处法向速度的平方和作为优化目标函数,并通过最小化目标函数得到桨叶几何.     

鱼雷衡重特性对初始弹道的影响分析

建立了鱼雷水下空间弹道数学模型,并针对鱼雷不同的衡重特性,采用四阶龙格库塔法和全选主元高斯消去法进行了仿真计算,分别研究了不同自由角、管制舵角和初始速度时初始弹道的变化规律.仿真结果表明,在质量相对较小、质浮心距离较大时,鱼雷初始弹道更易出现拱水现象,因而不适于在浅深度发射;在质量相对较大、质浮心距离很小时,鱼雷初始弹道出现较大袋深,发射时要求大深度海区.这些现象只能在一定程度上通过调整管制舵角、自由角和发射初始速度来克服.     

空化射流喷嘴流场的数值模拟

根据角形喷嘴结构特点,建立了喷嘴的物理模型和数学模型.选用к-ε紊流模型,并采用SIMPLEC算法进行数值计算.模拟计算表明,射流进入扩散段后与周围介质发生强烈的剪切作用产生明显的负压,有利于空化气泡的产生.扩散角对喷嘴内部流场影响较大,存在最佳值30°;扩散段长度对喷嘴内部流场也存在影响,初始取值为12 mm;圆柱段长度对喷嘴内部流场影响较小,其取值有一范围2～10 mm,初始取值为4 mm.采用相关的实验数据验证了本模型的可行性.     

超空泡射弹动力学建模与仿真

射弹高速运动时产生的尾部开式超空泡将改变弹体受力形式及运动稳定性.针对超空泡射弹的特殊运动模式,考虑弹体与空泡壁面的相互作用,建立了射弹动力学模型,提出了数值仿真耦合算法,给出了不同初速下的弹道仿真算例,并计算了射弹尾拍力.结果分析表明,射弹速度随时间呈指数形式衰减,弹体姿态角、角速度及尾拍力周期性往复变化,同时尾拍力随着空泡尺度缩小而减小.较小的初速度使尾拍力提前出现.研究方法与结果为开展射弹结构及弹道散布研究提供理论基础与研究手段.