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高速射弹非定常运动多相流场与弹道特性研究

赵成功  
【摘要】:超空泡减阻技术是近年来备受关注的一种水下武器减阻技术,采用该技术设计的高速超空泡射弹主要应用于反鱼雷和反水雷作战系统。超空泡射弹在高速入水或水下运动过程中,会出现穿越自由液面、空化、湍动、尾拍等复杂的流动现象,形成由气、汽、液介质共同组成的复杂多相流场,并对射弹的运动姿态和运动轨迹产生重要影响,这些都是超空泡射弹研制过程中必须考虑的关键问题。因此,开展高速射弹多相流场特性与弹道特性研究,具有重要的理论意义和应用价值。本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,对高速射弹在水平运动和倾斜入水过程中的多相流场和弹道特性开展了深入地研究。主要研究内容和成果如下:基于均质平衡流理论,建立了计算高速射弹水平运动问题的数值计算方法。结合SST湍流模型和空化质量输运方程,通过求解汽液两相混合物的雷诺平均应力N-S方程(RANS),建立了高速射弹水平运动的数值计算方法,并利用实验结果验证了数值计算方法的有效性。利用该方法开展了不同攻角和有无尾翼条件下高速射弹水平运动的数值模拟研究,获得了攻角和尾翼对空泡形态和射弹流体动力特性的影响规律。在高速射弹水平运动数值计算方法研究的基础上,通过CEL(CFX Expression Language)语言对CFX软件进行二次开发,将射弹的刚体运动方程引入到求解软件中,并结合基于位移扩散模型的网格变形方法,实现了射弹运动和流场特性的耦合求解,建立了高速射弹水平运动和尾拍运动耦合求解的数值计算方法。利用该方法开展了不同质心位置和初始扰动角速度条件下高速射弹水平运动和尾拍运动的数值模拟研究,给出了质心位置和初始扰动角速度对非定常多相流场与尾拍运动特性的影响规律。采用轻气炮水平发射射弹的实验方法,开展了高速射弹水平运动的自由飞行实验。通过高速摄像测量获得了射弹水平运动以及发生尾拍运动时的图像数据,并通过对图像数据的处理获得了速度、运动轨迹和运动姿态数据,分析了高速射弹水平运动过程中空泡形态演化、尾部闭合和脱落等多相流场特性,以及射弹的水中弹道特性和尾拍运动特性,给出了不同初始空化数下的弹道规律,并结合实验结果修正了独立膨胀原理中的经验系数,应用修正后的独立膨胀原理研究了不同深度下空泡几何形态变化特征。采用轻气炮倾斜发射射弹的实验方法,开展了高速射弹倾斜入水运动的自由飞行实验研究。分析了高速射弹倾斜入水过程中初始撞击、空化初生、空泡闭合等不同阶段的空泡形态演化、尾部涡旋脱落等多相流场特性,给出了不同头型和初始入水速度条件下的弹道变化规律,揭示了射弹弹道特性与多相流场变化的相互作用机理。


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