弹丸超音速入水冲击过程数值模拟

发布时间：2020-06-16 16:49

【摘要】：跨介质攻击武器是近年来研究的热点,主要特点在于可以跨越界面从而实现在不同介质环境中的有效运动,能够隐蔽高效突防、执行多重任务,实现水面攻击和水下攻击一体化问题,前景十分广阔。弹丸超音速入水属于跨介质问题,但是在运动过程中,入水瞬间及水下运动规律尚未研究透彻,且其中涉及跨介质的气固液三相多物理场耦合难点问题,因此,弹丸超音速入水冲击过程物理机制的研究具有重大的理论价值和实际工程意义。目前,关于弹丸超音速入水的计算研究,方法有有限元法、SPH无网格方法以及ALE方法,但是,国内基于欧拉方法求解弹丸超音速入水的研究仍然很少。因此,本文开发了基于欧拉方法的高精度格式算法,分别研究了弹丸在单介质和跨介质中的运动,并分析了弹丸超音速入水过程的一系列复杂物理现象,解决了气固液三相物质在弹丸入水过程中的耦合问题,为跨介质问题的研究提供了新的方法。主要研究内容如下:(1)针对欧拉方法难以追踪物质界面的缺陷,引入了Level set方法对物质界面进行追踪,结合WENO高阶精度格式求解Euler方程,编制了相应的二维程序,通过算例验证了Level set在界面捕捉方面的优越性能。(2)结合MGFM虚拟流体方法和Level set方程设定正确的边界条件来处理流固耦合界面,开发了弹丸在空气中高速运动程序,能够很好地模拟弹丸在空气中的运动,验证了该程序的可靠性,为研究弹丸跨介质问题打下基础。(3)基于欧拉方法,引入了M-Schmidt空化模型,结合rGFM虚拟流体方法和Level set方法,开发了弹丸在水中高速运动的程序,成功地模拟了弹丸在水中高速运动过程,研究了弹丸超音速入水过程中出现的空化现象。(4)基于以上对流固界面和气液界面的处理方式,结合M-Schmidt空化模型,开发了一套求解弹丸超音速入水问题的二维程序(LGWM2D)。利用LGWM2D程序模拟了圆形弹丸和平头弹丸超音速入水两种工况,清楚直观地展现了有关脱体激波、激波与水面相互作用、气垫效应及激波在水介质中传播、开口空泡形态和水面形态变化等一系列复杂物理现象。研究表明欧拉方法应用于跨介质研究,可以清晰地捕获弹丸入水瞬间界面及波系发展规律,为进一步研究跨介质问题打下基础。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ410
【图文】：

示意图,激波管,问题,示意图

12 1 13 2 23 1 14 4 41 2 23 3 3n nj jnj j jnj j ju u tL uu u u tL uu u u tL u 算例个小节对二维Euler方程的整个求解过程以及相应的各阶WENO梳理，据此，采用 Fortran 90 编制了三、五、七、九阶程序，并之后弹丸入水程序的编制打下坚实的基础。波管问题问题作为计算流体力学中的经典问题，一直是研究者们备受关注题，该问题是指在管中左右两端分布着压力、密度、速度不同的个膈膜将左右两种状态气体隔开，如下图所示：

局部放大图,局部放大图,局部放大

20（c）2 处局部放大图（d）3 处局部放大图图 2.2 激波管问题密度计算结果2.3.2 双马赫反射问题双马赫反射问题已经逐渐成为计算流体力学中检验高精度格式优劣性的经典算例，它最初是由 Woodward 和 Colella 提出，物理过程为一个与x 轴正向夹角为 60 度，马赫数为 10 的斜激波在 x 0,4 , y 0,1 的二维区域内反射，其初始条件如下：

【参考文献】