水下声弹运动特性及爆炸威力分析

发布时间：2020-11-06 15:47

　　 水下声弹作为由潜艇发射的水下武器,当到达目标区域后爆炸产生声效能而发挥作战功效。已知的研究表明,爆炸威力决定着爆炸产生的声效能。因此水下运动特性和爆炸威力是研究水下声弹的重点。本论文采用理论分析、数值模拟和试验相结合的方法对声弹水中运动特性和爆炸威力特性进行了研究。研究结论可为水下声弹结构设计、运动特性提升、爆炸声信号研究以及柱形子弹水下爆炸威力场分布等相关理论提供补充和技术支持。首先,建立水下声弹水中运动流场模型,利用基于S-A的DES模型对雷诺数Re=106的声弹水中运动特性进行了分析,获得了运动所受的平均阻力系数、升力系数和斯特劳哈尔数,并与已有的同雷诺数下子弹水中运动试验结果进行了对比,验证了数值模拟的准确性。得到并研究了卡门涡街现象以及分析了声弹周围时均流场特性。最后分析了声弹在更高雷诺数情况下运动所受的平均阻力系数和斯特劳哈尔数,以及水下声弹表面截面形状对平均阻力系数和斯特劳哈尔数以及涡街的影响。对弹药水下爆炸威力特性进行了研究。建立了爆炸冲击波传播模型,得到了水下爆炸冲击波传播规律。建立了单装药和双装药水下爆炸模型,对比分析了单装药和双装药的传播特性,得到了能量对冲击波持续时间的影响;研究了双装药在不同延时起爆时间下的爆炸特性。建立了有限元模型,对气泡脉动物理过程进行了研究,确定了 AUTODYN在模拟气泡脉动过程的准确性,在此基础上分析了爆炸深度对气泡脉动周期和气泡脉动最大半径的影响。设计并进行了水下单个炸药爆炸和连续爆炸试验,将爆炸冲击波转换为声信号进行研究。对声信号进行了分析,得到了单个炸药爆炸声压级和连续爆炸声压级。利用小波变化研究了声信号能量分布。研究了一定频率范围内声信号散射强度与频率的关系。利用Welch方法得到了水下爆炸冲击波功率谱。在多子弹连续爆炸试验中,还研究了爆炸间隔时间对爆炸声压级凹点和功率谱的影响。在水下声弹柱形子弹水下爆炸威力场研究中,通过分析几种不同长径比柱形子弹的水下爆炸威力场,并与等药量球形装药爆炸威力场进行对比分析,得出柱形子弹和等药量球形装药远场冲击波等效关系,赋予等效关系准确的函数,并对函数进行拟合和推导。再结合P.Cole经验公式得出柱形子弹爆炸威力场计算公式,并对推导公式进行了试验论证,证明了公式的科学性。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TJ6
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究的背景
    1.2 课题研究的意义
    1.3 水中兵器运动特性研究方法及进展
        1.3.1 几种湍流模型介绍
        1.3.2 圆柱绕流方面的进展
    1.4 水下爆炸研究及发展
        1.4.1 水下爆炸研究方法的现状及发展
        1.4.2 水下爆炸冲击波的研究及发展
        1.4.3 水下爆炸声信号的研究及发展
        1.4.4 柱形装药水下爆炸研究及发展
    1.5 本论文主要的工作内容
2 声弹水中运动特性分析
    2.1 水下声弹设计方案
    2.2 仿真模型及设置
        2.2.1 基于S-A湍流模型DES方程
        2.2.2 仿真模型及设置
        2.2.3 网格划分
    2.3 仿真可靠性验证
    2.4 声弹运动特性分析
        2.4.1 声弹周围的时均流场特性分析
        2.4.2 卡门涡街现象及数值讨论
    2.5 声弹速度对运动特性的影响
d和S_tr数的影响'>        2.5.1 不同运动速度对平均阻力系数C_d和S_tr数的影响
        2.5.2 不同运动速度对涡街的影响
    2.6 声弹截面边数对运动特性的影响
e下对C_d和S_tr的影响'>        2.6.1 截面边数在相同R_e下对C_d和S_tr的影响
e下对涡街的影响'>        2.6.2 声弹的截面形状在相同R_e下对涡街的影响
    2.7 本章小结
3 水下爆炸特性研究
    3.1 水下爆炸冲击波的研究
    3.2 爆炸冲击波水下传播规律
        3.2.1 球面传播
        3.2.2 柱面传播
        3.2.3 平面扩展
        3.2.4 超球面扩展
    3.3 单个装药和双装药水下爆炸冲击波特性对比分析
        3.3.1 数值模拟模型及材料参数
        3.3.2 单、双装药冲击波传播特性分析
        3.3.3 能量对冲击波持续时间的影响
        3.3.4 延时起爆对冲击波的影响
    3.4 水下爆炸气泡脉动物理过程的研究
        3.4.1 有限元模型建立
        3.4.2 水的多项式方程
        3.4.3 炸药JWL方程
        3.4.4 水的静水内能
        3.4.5 数值模拟气泡脉动运动
    3.5 爆炸深度对气泡脉动的影响
        3.5.1 爆炸深度与水密度的关系
        3.5.2 仿真模型
        3.5.3 爆炸深度对气泡脉动的影响
    3.6 本章小结
4 水下爆炸声信号研究
    4.1 单个装药水下爆炸试验
        4.1.1 单个炸药水下爆炸试验方案
        4.1.2 单个炸药水下爆炸声压级
        4.1.3 单个炸药水下爆炸频率特性分析
        4.1.4 单个炸药水下爆炸功率谱分析
    4.2 水下连续爆炸试验
        4.2.1 水下连续爆炸试验方案
        4.2.2 水下连续爆炸冲击波信号分析
        4.2.3 水下连续爆炸功率谱分析
    4.3 本章小结
5 柱形装药水下爆炸威力分析
    5.1 不同长径比柱形装药和球形装药远场等效关系研究
        5.1.1 计算模型
        5.1.2 炸药和水的状态方程及参数
        5.1.3 数值模拟结果与分析
    5.2 柱形装药远场冲击波威力场分布
    5.3 试验验证
    5.4 本章小结
6 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 论文创新点
    6.3 工作展望
致谢
参考文献
附录

【参考文献】

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本文编号：2873332