入水过程的水动力学特性及物体弹性影响的数值模拟

发布时间：2020-08-25 06:38

【摘要】：海上军事力量在维护国家主权,保护我国领海完整方面具有至关重要的意义。随着超空泡技术的发展及应用,为了解决水下防御困难的问题,高速入水武器相继问世。射弹在空中发射,经过空中飞行穿过自由界面进入水中,必须同时满足或兼容空中、跨介质和水下飞行的稳定性条件,这是一个十分复杂的物理现象,实验研究非常困难且需耗费大量的人力物力。随着计算机技术和可视化技术的迅猛发展,具有高效率、高精度、低成本特点的数值模拟技术逐渐被应用到超空泡研究中来。时至今日,对于超空泡技术的研究已经取得了长足的发展,但是仍然存在很多问题留待我们去解决。基于上述现状,本文主要针对刚性圆柱体头型对入水超空泡尺寸及流场的影响,弹性圆柱体长径比和杨氏模数对其超空泡流场及入水运动规律的影响以及弹性圆柱壳头型对其超空泡流场、壳体变形、壳体压力分布和入水运动规律的影响展开了数值模拟,研究的具体内容如下:(1)为了研究入水超空泡的面闭合时间及形态发展,基于Fluent 15.0,选取不同头型的刚性圆柱体及某实际射弹模型,对其入水超空泡展开了二维数值模拟。分析了头型对超空泡闭合时间、圆柱体周围速度流场以及超空泡尺寸的影响,并将实际射弹模型的超空泡外形轮廓与Logvinovich半经验公式进行了对比并获得了较好的一致性。(2)为了研究弹性圆柱体入水过程中固体与超空泡流场之间的相互作用,基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,使用ALE(Arbitrary Lagrange Euler)方法,对不同长径比及杨氏模数的圆柱体的入水过程展开了流固耦合模拟。得到了空泡形态,圆柱体速度及加速度的变化规律。(3)为了研究弹性圆柱壳体入水过程中壳体与超空泡流场之间的相互作用,基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,使用ALE方法,对不同锥角的弹性圆柱壳体的入水过程展开了流固耦合模拟。得到了头型对超空泡形态、壳体速度及加速度、壳体上下表面变形以及下表面压力分布的影响规律。对高速圆柱体、圆柱壳体的跨介质入水过程展开了数值模拟并对模拟结果进行了分析,通过对本文的结论进行归纳总结,为后续入水超空泡射弹的数值模拟和实验研究提供了参考。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TJ6
【图文】：

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巨大的流体冲击力会造成射弹破碎、跳弹和随机偏转。这两个和稳定性控制的“水下禁区”，吸引了众多研究者的目光。年，S.W.Barnaby 和 C.A.Parsons 通过分析和调查“果敢号”等蒸汽桨突然严重失效事件，首次提出了“空化”的概念，但是并未将，研究者的目光依然集中在如何通过减少物体的表面粗糙度以理论，在上世纪三十年代，诸如聚合物添加剂减阻、壁面震动阻等一系列方法被提出[1]，但减阻效果差强人意。在第二次世泡现象才开始被系统地科学研究[2]。阻技术可以将水下高速航行体受到的有效阻力减少 90%[3]。因投入了大量的人力物力研究超空泡减阻技术。该项技术被广泛上世纪 70 年代中期，前苏联研制出第一代大尺度进攻性超空泡图 1.1 所示。这是超空泡武器发展史上里程碑式的进步。其最大于常规鱼雷的航速，对水面舰艇产生了极大的威胁。

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图 1.2 机载灭雷系统个广泛应用的区域是超空泡航行体的世界上第一艘采用超空泡原理设计的部的吊舱中，依靠两个涡轴发动机体直接接触。其最高航速可以达到 50图 1.3 美国“幽灵”号超空泡舰艇设计制造的超空泡鱼雷与超空泡射弹

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2图 1.3 美国“幽灵”号超空泡舰艇术设计制造的超空泡鱼雷与超空泡射弹，具用该项技术设计制造的超空泡舰艇的续航能空泡炮弹而言，受到其体积的约束，在航行弹道失稳的情况，尤其是跨介质入水射弹，空泡炮弹的水动力学特性及弹道稳定性，对作战模式，具有至关重要的意义。尺度超空泡射弹的研究具有很高的工程应用和实验对比为辅的方法，研究了射弹跨介质用了三种不同头型的刚性回转体和某实弹模时间。此外，还研究了不同长径比、杨氏模

【参考文献】