弹头结构对超空泡枪弹水下运动特性的影响.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:河北省自然科学基金项目()东北大学秦皇岛分校博士启动基金项目()作者简介:郝博()男博士教授:.通信作者:杨斌()男硕士:.:./.弹头结构对超空泡枪弹水下运动特性的影响郝 博杨 斌陈丹丹徐才宪(.东北大学秦皇岛分校 控制工程学院 河北 秦皇岛.东北大学 航空动力装备振动及控制教育部重点实验室 沈阳)摘要:针对目前国内外水下航行体结构简单稳定性较差的问题基于重叠网格技术和 动网格技术提出一种两段式结构的超空泡枪弹 该枪弹采用两段式的斜肩结构在水下航行时受到水阻力更小具有较高的研究价值为此研究了 种不同弹头结构对超空泡枪弹水下运动过程的空泡形态、弹道及流体动力特性的影响 研究结果表明:不同结构弹丸水下航行时平头弹丸产生 段空泡尖头弹丸和圆头弹丸只生成 段空泡圆头弹丸与斜肩的契合度更高圆头弹丸的弹道稳定性更好其次是平头弹丸尖头弹丸的弹道稳定性最差弹丸遇水初期会产生一个阻力峰值且随着弹丸的运动阻力逐渐降低圆头弹丸受外力的影响最小尖头弹丸受外力影响程度最大 因此圆头弹丸的水下弹道稳定性最优减阻性能最佳为超空泡枪弹的结构选择提供了一定的理论依据关键词:弹头结构超空泡枪弹水下运动空泡形态弹道特性本文引用格式:郝博杨斌陈丹丹等.弹头结构对超空泡枪弹水下运动特性的影响.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言弹丸在水下航行时会在弹丸周围产生一层包裹弹体表面的空泡使弹丸航行状态处于伪空气环境弹丸表面的摩擦阻力可降低 以上极大提高了弹丸在水下的航行速度增加了水下射程进而提高了弹丸的有效杀伤力近年来随着超空泡技术的不断发展其对水下航行体减阻效果也在不断提高在水中高速鱼雷、潜水艇发射战术导弹等水下特殊作战任务中具有重要的战略意义国内外专家对超空泡武器进行了大量的的研究工作 世纪 年代初前苏联基于超空泡技术设计出了第一代“暴风”超空泡鱼雷其航行速度最高可达 /等利用独立膨胀原理求解了入水空泡形态该结果为今后空泡形态的发展奠定了理论基础 等基于能量方程分析了弹丸高速入水的空泡生成、发展及闭合的过程 基于 问题建立了一个关于空泡形状演变过程的理论模型并将模型和实验结果进行了比较分析 通过研究空化器和流速对空泡的影响发现了头部尖锐的空化器会产生更小的空泡 等通过设置回转体垂直入水的试验发现了弹道稳定性受到回转体的头部形状、表面特性和倾斜角度的影响 等研究了射弹的空化器形 状、冲 击 速 度 和 撞 击 角 度 对 空 泡 形 态 的 影 响、齐亚辉、李懿霖等通过数值模拟研究了空化器形状、直径等因素对超空泡性能的影响 李瑞杰等通过数值模拟分析了不同弹型的超空泡枪弹的水下弹道特性 周梦迪等利用 动网格方法对高速尾翼弹的入水空泡特性进行了分析 李强等通过数值模拟研究了空化器类型对水下射弹减阻特性的影响、等利用 软件对高速射弹的入水过程进行了数值模拟目前国内外对水下航行体的结构研究主要局限在一段式的弹丸结构该种弹丸结构简单容易设计但稳定性较差而两段式的弹丸通过设置的特殊两段式结构可以让空泡的散布面积更大让空泡更加均匀的包裹弹体受到的水阻力更小具有较高的研究价值 因此为了实现本研究的目标弹体采用两段式的斜肩结构并利用 软件数值模拟了 种不同弹头结构的高速射弹的水下航行过程 本研究中基于 方程采用 多相流模型、标准 湍流模型及 空化模型结合了重叠网格技术和 动网格技术最终得到了不同结构弹丸对空泡形态、弹道特性和流体动力特性的影响规律为超空泡枪弹的发展提供了一定的理论支撑 基本方程.控制方程文中基于有限体积法将连续性方程和动量方程相结合采用 多相流模型对不同结构射弹的空泡形态、弹道和流体动力特性进行了数值模拟 通过气、液、汽三相之间的各相流动对该问题设计控制方程其在流场中的体积分数关系式如下 ()式()中:、为水相、气相和水蒸气相的体积分数混合相的密度表达式为 ()式()中:、分别为水相、气相和水蒸汽相的密度混合相连续方程和动量方程如下所示:连续型方程为()()式()中:为混合相的密度 为混合物 方向的速度分量 为混合相 方向上的距离 动量方程为()()()()式()中:为混合相的动力粘度、表示水、空气和水蒸汽的动力黏度 表示远场压力表示混合相 方向的速度分量表示混合相 方向上的距离 表示流体受到 方向上的受力 .空化模型本文中对水下弹丸航行中的空化问题进行求解采用的是由 和 位科研人员提岀的 空化模型进行模拟该空化模型可以捕捉到水到水蒸气兵 器 装 备 工 程 学 报:/./的相变过程其控制方程如下()()()式()中:、为经验常数 表示气核所占的体积分数 表示产生的气核空泡半径 表示泡内压力.模型 软件提供的 求解器可通过确定射弹的质心位置和运动方位进行 文件的编译来定义射弹的质量和转动惯量从而计算出射弹的位移、加速度等参数每个计算步的质心位置和运动方位会根据上一步的位置和运动方位求得.()式()中:.、.分别表示线速度和角速度 表示变换矩阵.、.分别表示当前第 时间步质心的位置和方位 计算模型与数值方法.计算模型为研究超空泡枪弹水下航行过程的空泡状态、弹道与流体动力特性本文中通过三维数值模拟分析了不同结构弹丸对空泡形态、速度、位移等参数的影响规律 本文中采用的弹体模型为两段式的斜肩结构弹头结构分别是平头、圆头和尖头其几何结构如图()、图()、图()所示 其中弹丸的初始速度为 /弹丸材料为钨合金密度为./图 不同结构弹丸示意图.网格划分在网格重构的过程中网格会产生较大程度的变形导致网格质量变差计算精度下降 因此为提高计算效率和节约成本本文中结合重叠网格技术和 动网格技术对超空泡枪弹的水下航行过程进行了数值模拟 重叠网格技术不会产生网格的变形可有效避免网格质量的降低和提高计算精度 重叠网格技术将复杂的计算域划分成多个简单的子计算域包括背景域和子计算域并且计算过程中子计算域的边界无需进行特殊处理对各个子计算域的操作不会对整体的网格产生影响 本文中对计算域进行结构化网格划分背景域设置为长方体的计算域子域设置为包裹弹丸的圆柱形计算域 同时为了保证弹丸的空泡形态、受力及运动状态的精度对弹丸的周围和生成空泡的区域进行了网格加密 本文中计算域的网格示意图如图 所示图 计算域网格示意图.计算域及边界条件本文中采用长方体计算域图 为计算域 平面的截图以及边界条件其计算域的尺寸为 重力加速度沿 轴负方向 计算域的左侧边界设置为压力出口边界条件右侧和上下边界设置为压力入口边界条件弹丸表面设置为壁面条件图 计算域及边界条件.郝 博等:弹头结构对超空泡枪弹水下运动特性的影响 本研究基于有限体积法采用 多相流模型和标准 湍流模型应用 算法对动量方程和连续性方程联立求解建立速度场和压力场的耦合 设置压力场离散为 格式设置体积分数为一阶迎风格式设置动量、湍流动能和湍流耗散率为二阶迎风格式设置时间离散为一阶隐式格式 设置步长为 每步迭代 次.数值方法验证为验证数值方法的准确性对文献中的锥头圆柱体弹丸的垂直入水过程开展数值模拟 按照实验射弹模型尺寸进行了数值模拟和理论分析并与文献的实验结果进行了对比 其中弹丸的直径为 长度为 锥角为 弹 丸 密 度 为./弹 丸 初 始 入 水 速 度 为/本文中采用重叠网格技术对弹丸进行数值模拟分别得到了入水后弹丸速度和深度随时间变化的关系如图 所示 从图 中可以看到弹丸的航行速度逐渐变小这是由于弹丸入水初期受到了较大的流体阻力随着阻力的减小速度衰减和入水深度的增加幅度也在降低 本文中数值模拟及理论分析的结果与文献的实验结果几乎一致从而验证了本文中数值方法的可靠性图 入水速度和入水深度的变化曲线.网格无关性验证为避免网格数量对数值模拟产生影响本文中选取圆头弹丸来进行网格无关性验证 保持弹丸模型和计算域一致对其进行了 种网格密度的划分划分后的网格数量分别为 万、万、万左右 通过设置相同的运动参数对 种不同网格数量的弹丸进行了数值模拟得到了速度随时间的变化曲线如图 所示 由图 可知低密度网格计算出的弹丸速度略低域中密度和高密度网格的弹丸速度中密度网格和高密度网格的射弹速度几乎相同 考虑到计算机配置及计算效率本文中最终采用的网格数为 万左右以便得到较好的计算结果图 不同网格数量下弹丸的速度变化曲线.计算结果与分析超空泡枪弹的初始速度为 /弹体结构为两段式的斜肩弹体弹头结构分别为平头、圆头和尖头 通过数值模拟分析了弹头结构对超空泡枪弹水下航行过程的空泡形态、弹道及流体动力特性的变化规律.空泡形态分析图 展示了超空泡枪弹水下运动时的空泡形态变化过程 当超空泡枪弹在水下发射时由于枪弹的高速运动会带动弹体周围大气压急剧下降会导致枪弹附近的水沸点要小于正常大气压下的水沸点从而水会转变成水蒸气生成的水蒸气覆盖在弹体表面使枪弹处于伪空气环境的状态这样极大的降低了超空泡枪弹水下运动时所受的阻力 随着弹丸的运动超空泡形态趋于稳定弹丸所受的水阻力进一步降低 由图 可以看出平头弹丸在水下航行时产生的空泡完全包裹住弹丸圆头弹丸的空泡与斜肩完美契合几乎是同一斜度受到四周水阻力的影响更加均匀尖头弹丸的空泡与斜肩过渡部分有小部分空泡凹陷会对超空泡枪弹的航行稳定性造成一定的影响图 超空泡枪弹的空泡形态变化情况示意图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 不同结构弹丸的头部空泡形态.弹道特性分析图 为不同结构弹丸水下航行时质心的运动轨迹由图 可知不同的弹头结构对超空泡枪弹的弹道稳定性有一定的影响 在水下航行中 种不同结构弹丸在 方向的位移基本一致可见这 种弹丸在该方向的速度相近平头弹丸和尖头弹丸在 方向上的位移接近圆头弹丸的位移最小 种结构弹丸的在 方向上的位移有着比较明显的区别在.内平头弹丸和圆头弹丸几乎没有产生位移一直在 附近波动尖头弹丸的质心位移随时间增加最高达到.这说明圆头弹丸和平头弹丸的水下弹道相对稳定而尖头弹丸受到的水阻力更大其稳定性更差图 为不同结构弹丸水下航行过程中、方向的速度随时间变化曲线 在超空泡枪弹水下航行初期各方向上的速度基本不变但随着时间的增加不同结构弹丸的速度表现出了明显的差异 从图()中可以看出在弹丸水下航行过程中圆头弹丸的速度从 /下降到 /而尖头弹丸的速度下降到 /这是因为不同结构弹丸所受的水阻力不同水阻力越大射弹 方向的速度衰减越快从图()中可以看出 种弹丸在 方向的速度在稳定增加且圆头弹丸 方向速度增幅最小 由图()可知在.时尖头弹丸 方向的速度在一直增加而平头弹丸和圆头弹丸的速度基本维持在 /附近 这是由于弹丸受到重力作用还受到来自四周的水阻力导致射弹失稳沾湿形成 方向和 方向的分力从而导致 方向和 方向的速度的变化图 不同结构弹丸的质心运动轨迹.图 不同结构弹丸的速度变化曲线.郝 博等:弹头结构对超空泡枪弹水下运动特性的影响 图 给出了 .时不同结构弹丸的姿态角随时间的变化曲线 由图()和图()可知随着时间的增加尖头弹丸的俯仰角和偏航角一直下降其头部在运动过程中一直向下偏转说明尖头弹丸受到的重力作用更明显而平 头 弹 丸 和 圆 头 弹 丸 则 保 持 稳 定 的 弹 道 特 性 由图()可知随着时间的增加 种不同结构弹丸的滚转角随也在不断增加 此外从图中可以看出弹丸水下航行时相比平头弹丸和圆头弹丸的姿态角虽然尖头弹丸的姿态角有着明显的角度变化但由于其数量级很小姿态角的变化仍保持在 附近波动基本维持在水平运动 这说明这 种不同结构弹丸的姿态角变化都很小且平头弹丸和圆头弹丸的角度波动更小即平头弹丸和圆头弹丸的弹道稳定性比尖头弹丸的弹道稳定性更优.流体动力特性分析图 为不同结构弹丸水下航行过程中在 .内的阻力、升力和侧向力随时间的变化曲线 从图()中可以看出不同结构弹丸受到的阻力的变化趋势类似弹丸在水下发射初弹丸所受的阻力快速增加阻力出现了一个阻力峰值并随着时间的增加阻力会逐渐降低 其中尖头弹丸的阻力峰值最高当时间到达.后可以看出圆头弹丸所受的阻力最小 这是由于弹丸在发射后会形成超空泡包裹住弹丸从而减少了弹丸所受的阻力 由图()可知在 .内在弹丸航行初期尖头弹丸受到的升力最大.后平头弹丸的升力超过尖头弹丸并随着时间的增加不同结构弹丸的升力变化逐渐趋于稳定圆头弹丸的升力最小平头弹丸的升力最大 由图()中可知平头弹丸和圆头弹丸的侧向力基本维持在 .范围波动而尖头弹丸的侧向力随时间先增加然后逐渐降低 这说明圆头弹丸的结构更加稳定其所受外力的影响最小平头弹丸次之尖头弹丸受外力的影响程度最大图 不同结构弹丸姿态角的变化曲线.图 不同结构弹丸的受力变化曲线.结论本文中提出了一种两段式斜肩结构的超空泡枪弹该枪弹的弹道稳定性和减阻性能更优 通过数值模拟方法结合重叠网格技术和 动网格技术研究了 种不同弹头结构对超空泡枪弹水下运动过程的空泡形态、弹道及流体动力特性的影响获得了以下结论:)超空泡枪弹水下航行时由于弹头结构不同导致空泡形态有些许不同平头弹丸产生两段空泡尖头弹丸和圆头弹丸只生成一段空泡圆头弹丸与斜肩的契合度更高)不同结构弹丸的速度衰减曲线有着明显的差别从弹丸航行的 .内圆头弹丸速度衰减较慢由/下降到 /而尖头弹丸速度衰减最快 为兵 器 装 备 工 程 学 报:/./且尖头弹丸受到较为明显的侧向力作用 这说明圆头弹丸的弹道稳定性更好其次是平头弹丸尖头弹丸的弹道稳定性最差)弹丸遇水初期会产生一个阻力峰值圆头弹丸的受到的阻力最小约为 平头弹丸和尖头弹丸分别约为 和 且随着弹丸的运动阻力逐渐降低圆头弹丸受外力的影响最小尖头弹丸受外力影响程度最大参考文献:.():.:.():.():.():.():.():.():.齐江辉郑亚雄.空化器形状对超空泡流场影响的数值模拟.兵器装备工程学报():.():.李懿霖宋保维.空化器直径对超空泡航行器空泡性能的影响.上海交通大学学报():.():.李瑞杰王瑞徐保成等.高速旋转超空泡枪弹水中弹道性能数值模拟.兵工学报():.():.周梦笛曹从咏盛楚倩.基于 的高速射弹入水超空泡特性研究.火炮发射与控制学报():.():.李强黄岚张学伟.不同空化器对水下射弹动态减阻特性影响分析.火炮发射与控制学报():.():.():.():.():././:.刘厚林董亮王勇等.流体机械 中的网格生成方法进展.流体机械():.():.马庆鹏.高速射弹入水过程多相流场特性研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.:.科学编辑 穆青 博士(南京理工大学)责任编辑 贺 柳郝 博等:弹头结构对超空泡枪弹水下运动特性的影响