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超空泡射弹尾拍运动多相流场及结构动力学特性研究

何乾坤  
【摘要】:超空泡射弹在发射或入水过程中往往会受到不可预知的扰动作用,使其在水下运动中常伴随着尾拍的发生。在尾拍运动中,射弹尾部与空泡壁面可能产生剧烈的碰撞作用,使弹体周围流场特性发生改变,弹道发生偏移,甚至引起结构振动。本文采用理论、数值与试验三者相结合的方法对超空泡射弹在尾拍运动中的多相流场及结构动响应进行了深入地研究。主要研究内容如下: 分别采用独立膨胀原理和分相流计算模型对超空泡射弹的空化流场进行了计算,并验证了计算方法的有效性。同时,推导了射弹尾拍运动的刚体运动方程和无约束结构振动方程,并描述了射弹在尾拍过程中的运动姿态变化和结构振动响应变化规律。 基于超空泡射弹尾拍运动的刚体运动方程和尾部载荷半经验公式,计算了射弹在尾拍运动中的刚体姿态变化,给出了射弹质心位置及空泡摆动等因素对弹体刚体运动的影响规律。同时,将射弹简化为欧拉-伯努利梁,基于无约束梁振动方程,计算了弹体在尾拍过程中的结构振动响应,给出了射弹所受轴向压力、水的可压缩性及装配的环状加强筋等因素对射弹结构响应的影响规律。 采用分相流模型分别模拟了匀速和自由减速运动状态下的超空泡射弹在尾拍运动中的多相流场变化,分析了尾拍运动对射弹空泡形态和流体动力的影响,总结了射弹尾部载荷变化规律。基于流场分析结果并结合相关文献,提出了射弹尾部载荷的理论计算模型,并对该模型的计算有效性进行了验证。 采用本文提出的超空泡射弹尾部载荷理论模型,基于刚柔耦合动力学方程计算了射弹的弹道和结构振动响应,给出了刚柔耦合作用对射弹刚体运动和弹性振动的影响规律。同时,基于ANSYS软件和CFX软件的双向隐式交错迭代法计算了射弹尾拍运动过程中的流固耦合响应,分析了流固耦合作用对射弹运动姿态和流体动力的影响,给出了尾拍过程中弹体应力的变化规律。 采用试验方法研究超空泡射弹在尾拍运动中的速度、姿态及弹道变化,分析了尾拍对射弹空泡形态及运动稳定性的影响,并通过试验结果对本文提出的尾部载荷理论模型的合理性进行了验证。


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