水下亚声速、超声速超空泡射弹流体动力特性及其结构耦合响应研究

Supercavitating projectile is a new ultra high-speed underwater weapon, which is used to form a barrage for naval ships. The technical foundation for the projectile's high-speed movement is the drag reduction resulted by supercavitation. Supercavitation is an extreme form of cavitation, which can reduce the wet area of the projectile as well as the viscous friction. So the supercavitating projectile can hold up a high speed and have a distant range.The project is carried out on the existing basis, and the theoretical calculation models of the subsonic and supersonic supercavitating projectile are established. The supercavitating profile, hydrodynamic and the projectile structural coupled response is further studied. The supercavitating profile and hydrodynamic of the cone-shaped projectile is analyzed based on the slender body theory and the matched asymptotic expansions method. The supercavitating profile and hydrodynamic of the disk cavitator projectile is analyzed based on the improved finite volume method. The structural coupled response of the subsonic and supersonic projectile is analyzed based on the finite element method considering the coupling problem between the projectile and the supercavity. The effect of the projectile type on the projectile movement is investigated for the foundation of the supercavitating projectile shape design and optimization, ballistic simulation and trajectory stability control.

超空泡射弹是新一代水下超高速作战武器，为舰艇构筑水下防线。其实现水下高速运动的技术基础是超空泡的减阻特性。超空泡是空化的一种极端形式，它的形成使流体对射弹表面的浸湿面积减少，从而很大程度上减小了粘性摩擦阻力，使射弹在水中保持较高的航速，达到较远的航程。本课题在已有研究基础上展开，建立亚声速和超声速射弹超空泡流场的理论计算模型，研究射弹超空泡形态、流体动力和弹体结构耦合响应。基于细长体理论和匹配渐近展开法，分析细长锥型射弹在高速飞行条件下的超空泡形态和流体动力特性。基于理想可压缩流体全势流理论，采用改进的有限体积法，分析圆盘空化器射弹的超空泡形态和流体动力特性。基于有限元法，考虑射弹弹体与超空泡之间相互的耦合作用，分析亚声速、超声速条件下射弹弹体的结构耦合响应问题。探讨弹型结构、尾拍效应等对射弹运动和结构稳定性的影响。为水下超空泡射弹的外形设计和优化、水中弹道模拟、弹道稳定性控制奠定基础

超空泡射弹是新一代水下超高速作战武器，其实现水下高速运动的技术基础是超空泡的减阻特性。超空泡是空化的一种极端形式，它的形成使流体对射弹表面的浸湿面积减少，从而很大程度上减小了粘性摩擦阻力，使射弹在水中保持较高的航速，达到较远的航程。本课题在已有研究基础上展开，建立亚声速和超声速射弹超空泡流场的理论计算模型，研究射弹超空泡形态、流体动力和弹体结构耦合响应。.对于水下细长锥型射弹，基于势流理论和细长体理论，根据亚声速流和超声速流的不同特征，建立了描述可压缩条件下超空泡流动的积分微分方程，给出求解方程的数值离散方法和迭代过程，计算了不同半锥角、空泡数和马赫数下超空泡形态和射弹流体动力系数。当0<Ma<sqrt(2) 时，流体压缩性将使超空泡整体膨胀，压差阻力系数增加；当Ma>sqrt(2) 时，流体压缩性将使超空泡形态整体收缩，使压差阻力系数减小。当Ma→1时，流体压缩性对超空泡形态的影响最为强烈，压差阻力系数迅速增加。.基于粘性均质多相混合物输运方程模型，采用六面体结构化网格，联立Schnerr-Sauer空化模型和修正SST k-w湍流模式，考虑流体压缩性的影响以及密度项的修正，编写UDF函数，求解均质多相混合物输运的RANS方程，计算得到了超空泡射弹入水后的空泡形态、射弹侵彻距离、水弹道轨迹、速度衰减规律、加速度或受力变化规律. 对于低亚音速射弹垂直入水过程，空泡先发生面闭合，而空泡面闭合无量纲时间基本保持为一常数。.用有限元方法研究了动载荷作用下超空泡水下航行体的响应特性。超空泡水下航行体柱壳中部的应力幅值最高，尾拍阶段的加速度比初始阶段有较大提高，且加速度幅值逐渐累加。进行傅立叶变换后，超空泡水下航行体所有部分都务必要避开18HZ左右的工作频率，锥柱壳结合部还要尽量避开15HZ到16HZ的工作频率，航行体其它部分也要回避14HZ和27HZ的工作频率。以上结果为水下超空泡航行体的结构设计提供了理论参考。.用有限元方法研究了动载荷作用下超空泡水下航行体的响应特性。超空泡水下航行体柱壳中部的应力幅值最高，尾拍阶段的加速度比初始阶段有较大提高，且加速度幅值逐渐累加。进行傅立叶变换后，超空泡水下航行体所有部分都务必要避开18HZ左右的工作频率，锥柱壳结合部还要尽量避开15HZ到16HZ的工作频率，航行体其它部分也要回避14HZ和27HZ的工作频率。