高速射弹表面超空泡形成特性的数值计算分析
发布时间：2021-03-20 22:14
基于均质平衡多相流理论,建立了水下高速射弹超空泡形成过程的数理模型,对12.7 mm口径射弹进行了水下射击试验,验证了模型的合理性。对不同速度的76 mm射弹进行了数值模拟。结果表明:在弹丸表面,沿轴线各点依次产生空化现象,但在弹丸头部区域内各点水蒸气含量呈线性增加;在弹丸圆柱部区域,各点水蒸气含量先快速上升至0.3～0.4,随后维持平台期,再快速上升。射弹速度越快,平台期越短,超空泡形成得越快,超空泡形成时间满足指数型变化规律。在弹丸头部,空泡发展速率由快速的线性衰减阶段过渡到近似呈缓慢线性衰减的阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第一阶段中衰减得越快,衰减幅度也越大,而第二阶段中的衰减速度几乎不变。在弹丸圆柱部,空泡发展速率的变化分为快速衰减阶段与缓慢衰减阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第二阶段中衰减得也越快。弹丸表面摩擦阻力系数变化特性与弹丸圆柱部空化特性相对应。弹丸速度越快,阻力系数衰减越快,达到稳定时的值也越小;当速度高于1 100 m/s后,阻力系数达到稳定的时间几乎不变,达到稳定时的数值变化也不大。
【文章来源】：弹道学报. 2020,32(01)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
边界条件及网格划分
图6显示了v=800 m/s时弹丸表面不同位置的混合物中水蒸气的体积分数φv随时间的变化规律,其中,x表示距弹头部顶点的轴向距离。x<238 mm属于弹头部区域,x>238 mm属于弹丸圆柱部区域,x=238 mm为弹头部区域和弹丸圆柱部区域的分界点。由图4可见,空化现象在弹丸头部区域和弹丸圆柱部区域的发展过程有所不同。在弹头部区域,弹丸表面各点依次产生空化现象,其水蒸气含量近似呈线性上升,当φv≥0.5时[5],可认为形成空泡,随后水蒸气含量继续升高,直至0.9以上。空化现象的发展在弹丸圆柱部区域可分为3个阶段:第一阶段,弹丸圆柱部表面各点依次产生空化现象,各点处产生水蒸气后的水蒸气体积分数φv迅速提高至0.4左右,并且越靠近弹丸尾部的点水蒸气含量越高。这是因为弹丸圆柱部表面各点处的水蒸气由两部分组成:一部分是由空化产生并在原地积聚的水蒸气,另一部分是由上游各处产生并顺流而下的水蒸气。因此,越靠近弹丸尾部的位置混合物中水蒸气含量越高。
搭建水下枪发射系统,试验总体装置由水箱、射击平台、脉冲点火源和高速录像系统四部分组成。试验射弹模型结构:圆盘空化器直径Dn=6.6 mm,弹丸头部长Ln=11.2 mm,弹丸圆柱部长Lc=42.8 mm,弹丸全长Lb=54 mm,弹丸最大截面直径Dm=12.7 mm。水下射击试验采用密封式发射,试验时,利用脉冲点火电源点燃燃烧室内火药,采用FASTCAM-Ultima APX高速数码相机记录弹丸表面超空泡形态,其最大分辨率为1 024×512,频率为4 000 s-1。通过高速录像图片得到的射弹初速为383.5 m/s。利用上述数学模型,以相同的射弹结构以及试验工况,对射弹表面超空泡形态进行数值模拟。图1为1.75 ms时刻试验与计算得到的弹丸表面超空泡形态,其中实线为数值模拟结果,虚线为试验结果。由图可知,数值模拟与试验得到的弹丸表面超空泡形态基本相同。以弹丸顶部中点为原点,轴向为x轴方向,径向为y轴方向,t=1.75 ms时弹丸表面超空泡轮廓图,如图2所示。由图可知,数值模拟与试验得到的弹丸表面超空泡轮廓几乎重合,平均误差仅为1.1%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究[J]. 路丽睿,魏英杰,王聪,宋武超. 兵工学报. 2018(07)
[2]超空泡射弹火炮武器应用现状研究[J]. 姚忠,王瑞,徐保成. 火炮发射与控制学报. 2017(03)
[3]水深和弹体长径比对超空泡弹体阻力系数及空泡形状影响的实验研究[J]. 施红辉,周杨洁,贾会霞,朱棒棒. 兵工学报. 2016(11)
[4]对不同空化模型的比较研究[J]. 薛瑞,张淼,许战军,蔺蕾蕾. 西北水电. 2014(02)
[5]超空泡射弹阻力系数数值模拟[J]. 王柏秋,王聪,魏英杰,黄海龙,张嘉钟. 哈尔滨工业大学学报. 2013(03)
[6]高速自然超空泡射弹阻力特性试验研究[J]. 张木,谭俊杰,易文俊,陈志华. 实验流体力学. 2012(04)
[7]水下射弹自然超空泡减阻特性的数值模拟[J]. 金大桥,王聪,魏英杰,董磊,邹振祝. 工程力学. 2010(06)
[8]水下高速射弹超空泡减阻特性研究[J]. 易文俊,王中原,熊天红,周卫平. 弹道学报. 2008(04)
[9]水下射弹典型空化器的超空泡形态特性分析[J]. 易文俊,王中原,熊天红,周卫平,钱吉胜. 弹道学报. 2008(02)
[10]超空泡技术现状、问题与应用[J]. 曹伟,魏英杰,王聪,邹振祝,黄文虎. 力学进展. 2006(04)
本文编号：3091761
【文章来源】：弹道学报. 2020,32(01)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
边界条件及网格划分
图6显示了v=800 m/s时弹丸表面不同位置的混合物中水蒸气的体积分数φv随时间的变化规律,其中,x表示距弹头部顶点的轴向距离。x<238 mm属于弹头部区域,x>238 mm属于弹丸圆柱部区域,x=238 mm为弹头部区域和弹丸圆柱部区域的分界点。由图4可见,空化现象在弹丸头部区域和弹丸圆柱部区域的发展过程有所不同。在弹头部区域,弹丸表面各点依次产生空化现象,其水蒸气含量近似呈线性上升,当φv≥0.5时[5],可认为形成空泡,随后水蒸气含量继续升高,直至0.9以上。空化现象的发展在弹丸圆柱部区域可分为3个阶段:第一阶段,弹丸圆柱部表面各点依次产生空化现象,各点处产生水蒸气后的水蒸气体积分数φv迅速提高至0.4左右,并且越靠近弹丸尾部的点水蒸气含量越高。这是因为弹丸圆柱部表面各点处的水蒸气由两部分组成:一部分是由空化产生并在原地积聚的水蒸气,另一部分是由上游各处产生并顺流而下的水蒸气。因此,越靠近弹丸尾部的位置混合物中水蒸气含量越高。
搭建水下枪发射系统,试验总体装置由水箱、射击平台、脉冲点火源和高速录像系统四部分组成。试验射弹模型结构:圆盘空化器直径Dn=6.6 mm,弹丸头部长Ln=11.2 mm,弹丸圆柱部长Lc=42.8 mm,弹丸全长Lb=54 mm,弹丸最大截面直径Dm=12.7 mm。水下射击试验采用密封式发射,试验时,利用脉冲点火电源点燃燃烧室内火药,采用FASTCAM-Ultima APX高速数码相机记录弹丸表面超空泡形态,其最大分辨率为1 024×512,频率为4 000 s-1。通过高速录像图片得到的射弹初速为383.5 m/s。利用上述数学模型,以相同的射弹结构以及试验工况,对射弹表面超空泡形态进行数值模拟。图1为1.75 ms时刻试验与计算得到的弹丸表面超空泡形态,其中实线为数值模拟结果,虚线为试验结果。由图可知,数值模拟与试验得到的弹丸表面超空泡形态基本相同。以弹丸顶部中点为原点,轴向为x轴方向,径向为y轴方向,t=1.75 ms时弹丸表面超空泡轮廓图,如图2所示。由图可知,数值模拟与试验得到的弹丸表面超空泡轮廓几乎重合,平均误差仅为1.1%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究[J]. 路丽睿,魏英杰,王聪,宋武超. 兵工学报. 2018(07)
[2]超空泡射弹火炮武器应用现状研究[J]. 姚忠,王瑞,徐保成. 火炮发射与控制学报. 2017(03)
[3]水深和弹体长径比对超空泡弹体阻力系数及空泡形状影响的实验研究[J]. 施红辉,周杨洁,贾会霞,朱棒棒. 兵工学报. 2016(11)
[4]对不同空化模型的比较研究[J]. 薛瑞,张淼,许战军,蔺蕾蕾. 西北水电. 2014(02)
[5]超空泡射弹阻力系数数值模拟[J]. 王柏秋,王聪,魏英杰,黄海龙,张嘉钟. 哈尔滨工业大学学报. 2013(03)
[6]高速自然超空泡射弹阻力特性试验研究[J]. 张木,谭俊杰,易文俊,陈志华. 实验流体力学. 2012(04)
[7]水下射弹自然超空泡减阻特性的数值模拟[J]. 金大桥,王聪,魏英杰,董磊,邹振祝. 工程力学. 2010(06)
[8]水下高速射弹超空泡减阻特性研究[J]. 易文俊,王中原,熊天红,周卫平. 弹道学报. 2008(04)
[9]水下射弹典型空化器的超空泡形态特性分析[J]. 易文俊,王中原,熊天红,周卫平,钱吉胜. 弹道学报. 2008(02)
[10]超空泡技术现状、问题与应用[J]. 曹伟,魏英杰,王聪,邹振祝,黄文虎. 力学进展. 2006(04)
本文编号：3091761
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jingguansheji/3091761.html
