文摘

目前,supercavitating炮弹大多依靠经验或实验结果测试弹丸的形状;然而,实验的成本是相对较高的,没有特定的标准来判断水下弹丸是稳定的。为了解决上述问题,我们研究了运动稳定性,建立运动方程supercavitating炮弹。通过理论分析和仿真计算,设计最优的质心位置优化水下supercavitating弹丸的运动性能。我们认为这项工作能在水下的优化设计提供了理论支持supercavitating炮弹。

1。介绍

当车辆在高速水下移动,超空泡形成表面的车辆。超空泡可以显著降低的粘性阻力,当它正在水下大大增加的速度和范围导航(1]。高速车辆、小型质心的位置的变化,supercavity的结构,和其他因素会严重影响导航的速度和范围。

目前,有很多研究supercavitating炮弹通过数学模型的理论分析参考。研究高速supercavitating炮弹,从动力学的角度,建立了运动方程的弹超空泡腔研究弹丸质量的影响和supercavity结构supercavitating炮弹的飞行性能2]。弹的质量的增加可以减少抛射轨迹的偏差,和supercavity的直径的增加会增加轨迹的偏差。使用一个水洞,文献[3]研究了水动力问题的圆柱腔内滑动时车辆尾部。圆柱形航行supercavity相互影响,这种影响也影响supercavity。在纵向运动的影响更明显。通过分析supercavitating弹的流体动力学,运动的非线性动力学方程。根据稳定性方程,控制参数影响的稳定supercavitating弹了(4- - - - - -6]。进入水后弹丸的运动过程通常分为初始阶段和尾巴拍摄阶段。尾巴的拍摄阶段,提示力受到高速supercavitating弹弹丸一般沿着相反的方向的指向运动(7- - - - - -9]。影响弹丸进入水、高速supercavitating弹丸旋转腔而前进,也就是这个旋转,导致弹丸的尾巴与腔壁相撞(10]。如文献所示(11),弹胜水墙,水冷壁的弹尾的力量逐渐减少,最后,超空泡崩溃。文献[12)通过理论分析弹丸的力量:当弹丸具有相同的形状和其他条件如抛射体的长度,重心是有益的向前运动的线性运动弹丸的运动,有利于保持稳定在水下弹丸。抛射体的碰撞与腔壁可以减少弹丸抛射体的能源消耗的尾巴,和碰撞是有利于线性运动的弹丸13]。弹头的密集的材料的选择有利于重心的向前运动的线性运动supercavitating弹。抛射体的形状保持不变时,增加高密度材料弹体内或添加稳定剂管弹的尾巴可以改善supercavitating弹的稳定性,弹丸的设计提供依据。孟et al。14]研究了水下的运动特点supercavitating炮弹通过运动学和动力学分析和数学建模,发现定期弹丸的角速度的变化。超空泡的大小的减少将导致尾巴射振幅降低;抛射体的转动惯量越小,越稳定尾部变化,启动速度和发射深度。更大的初始角速度使弹丸的尾巴角速度衰减快。张,侯15]分析了水下弹丸的稳定性,发现的形状设计水下弹丸运动的稳定性有很大的影响。弹丸形状的长宽比越大,越稳定水下弹丸的运动。赵et al。16)的影响研究重心的位置的运动获得的尾巴,尾巴的效果拍摄运动的对称超空泡,和supercavity表面壁碰撞点发展的方向supercavitating弹丸旋转。supercavitating弹丸的运动期间,角速度,角加速度,和恢复力的尾巴都定期改变。郑(17,钱18),和黄19)所有炮弹进入水进行了仿真研究。supercavitating炮弹在水的粘滞阻力正比于航行速度的平方。当进入水在同一倾角时,水进入速度越大,就越容易产生明显的空化,表面力弹达到峰值的时候进入水中。施等。20.]阻力进行分析和运动稳定性分析continuous-launched炮弹通过流利的软件。第一所产生的流场supercavitating弹有助于减少弹丸的头部的压力。当泡沫弹丸进入超空泡的子弹,前面的头弹几乎不会受到粘性阻力的影响,导致弹丸追尾和分割超空泡。易和熊21]研究高速车辆的阻力自然超空泡流的特点,发现高速车辆的阻力系数随速度的增加而减小。车辆的长细比的增加有利于减少小型高速艇的阻力系数,和高速飞行器的减阻率达到95%以上。Zhang et al。22)研究了尾巴的影响的影响因素,得出的结论是,大规模的增加增加单尾的力量,但随着重心向后移动,尾巴照片的数量将减少;即单尾将会增加。

总之,对于大多数水下弹丸,质心的位置设置根据经验;然而,并没有相应的理论来解决这样的问题。基于运动特征的分析弹丸在水里,明星ccm +流体仿真软件用于弹道仿真,和最好的质量中心的位置是不断变化的发现质心的位置。我们认为这工作可以为supercavitating弹丸的设计提供理论支持。

2。数学模型

2.1。运动方程

弹丸旋转不断发射升空时,在水里运动。如果质心不合适,弹丸会滚,这将严重缩短弹丸的范围。弹丸运动必须满足以下方程:

其中,抛射体的质量,和是弹体的质心的速度沿着坐标系轴和 , 转动惯量在吗轴和通过质心,是角加速度,是合成的时刻1]。

在初始阶段,弹主要考虑前端阻力弹和自身的重力。在尾拍摄阶段,弹和泡沫之间的碰撞墙需要考虑。弹体的运动方程比较复杂,简化方程,我们可以得到以下运动方程:

的公式,是一个变量,总 总是持有。在初始阶段,当变得更大,抛射体更容易沿一条直线。在尾拍摄阶段,变得更大,变得越来越小,变得更大。据推测,有一个临界质量中心价值。如果小于临界值,水下弹丸会不稳定。如果该值大于这个临界值,水下弹丸能保持稳定的运动。

2.2。控制方程

对于湍流,navier - stokes方程总是适用(23]。以下是质量守恒方程: 在哪里流体密度和组件的流体速度吗方向。

以下是动量守恒方程:

以下是能量守恒方程: 在哪里静态的压力,是压力向量,中的重力组件吗方向,是其他能源造成的阻力和能量,是熵,是动荡的电导率转移,是定义的体积源,是分子的导电性。

2.3。明星ccm +的基本模型

2.3.1。受到模型

本研究的研究内容涉及弹丸进入水的过程和形成的过程supercavity在水里,因此它涉及三相流,即空气相,水相,水蒸气的阶段。此外,DFBI 6-degree-of-freedom运动是用于仿真模拟弹丸运动的整个过程,因此,受到使用多相模型和受到波模型。

受到多相模型是一个简单的多相模型。适用于模拟处理多相之间有清晰和明显的接口和阶段之间没有相互溶解问题发生。通常用于气液流和液-液流问题,它关注的形状相界面。值得注意的是,受到模型不适合在相界面的规模远小于筛孔尺寸,因为计算精度很低。受到多相模型是一个统一的和均匀的多相流模型;也就是说,所有阶段共享相同的速度场,还有气相,液相,汽相的计算结果,但在实际的解决方案过程中,共享相同的三个阶段。速度场求解方程时,在相同的网格,气相,液相,和汽相共享一组动量方程来解决,这简化了计算。

模拟多个不溶性液体流数值网格,受到波模型是用来模拟表面重力波的轻、重液体之间的界面;这个模型通常用于海洋应用程序与一个6自由度运动模型。本研究涉及弹丸进入水的过程和过程中形成空泡在水里,因此它涉及三相流,即空气相、水相、和水蒸气的阶段。和仿真使用DFBI 6-degree-of-freedom运动模拟抛物运动的整个过程,因此,受到使用多相模型和受到波模型。

2.3.2。湍流模型

的控制方程 - - - - - -ε湍流模型列出如下。

以下是方程:

以下是方程:

在上面的方程中,是层流粘性系数,是湍流粘性系数, (是湍流常数),是产生的湍流动能层流速度梯度,浮力产生的湍流动能, , , , ,和是经验常数。根据湍流实验,经验常数 , , , ,和 。

2.3.3。Supercavity模型

完整的Rayleigh-Plesset supercavity模型包括泡沫增长的加速度的影响,粘度的影响,以及表面张力。泡沫经济增长率使用Rayleigh-Plesset方程确定。

其中,是饱和压力在一个给定的温度下,分压在周围的液体,是表面张力,是液体的密度。

supercavity泡沫使用惯性控制的增长率增长模式。 在哪里supercavity泡沫的增长速度。

2.4。边界条件设置

速度的入口边界条件适用于不可压缩流和亚音速可压缩流。边界,明星ccm +将实施或计算速度 ,静态压力 ,和温度根据流条件。

外流的压力出口边界条件的应用工作压力,它可以被看作是液体的静压当流体进入环境。在正常流出条件,所有其他变量的边界面值速度或温度等可以推断从内部解决方案域。为压力出口边界,明星ccm +将应用根据流情况或计算边界面:速度 ,静态压力 ,和温度根据流条件。

2.5。计算模型

弹丸可以视为刚体,和它的总长度 。通过改变抛射体的长度,抛射体的形状,和质心的位置比较范围减速200 m / s时,形状的变化的影响减阻性能可以判断。

弹采用平头,三锥和每个截锥的锥角逐渐变得更小,截锥的宽度逐渐变大的头。弹丸在这个模拟实验是在左边的计算域和一个40米的长度,宽度为1.5米,3米的高度。计算域的网格划分为背景网格和网格重叠。计算模型如图1。弹体然后重叠网格加密。在计算过程中,弹体与重叠的区域,和重叠网格与背景网格。建模过程如图2。

3所示。数值模拟研究

质心位置是0.05升,0.25 L, 0.5 L, 0.55升,0.57 L和0.6 L的弹头。中间运动过程图,速度图,和200 m / s的位移图是用来判断弹丸运动水条件下的性能。从上面的过程中,能找到最好的质心位置。

3.1。质心的位置的影响水下弹丸的运动性能

把仿真结果当质心0.05 L远离弹头为例。

从数据可以看出3- - - - - -6当质心0.05 L的弹丸头部,在0.8068秒,速度下降到200 m / s和位移为26.6758 m。同时,仿真结果列在表中1。

3.2。质心位置的影响范围

质心的三个仿真结果的0.05 L, 0.25 L和0.5 L的头弹显示稳定的前提下水下弹丸运动,质心的前面没有影响水下弹丸的范围。

有一些理由来解释之间的不一致性仿真结果和理论结果。重心的单一能源消耗降低水下弹丸的尾巴射击运动。作为能源消耗降低,角速度和角加速度的衰减变慢,上下振动的频率的弹洞变得相对更快,和尾巴的数量增加。

3.3。质心的位置的影响稳定性的运动

与仿真结果比较分析质心的位置0.5 L和0.6 L的子弹头,可以得出以下问题。

尾巴拍摄水下弹丸运动是一种保持稳定,满足的时刻产生的尾巴上的水弹大于或等于重力施加的力矩,即总时刻 。当 ,力的水弹的尾巴是不够导致弹体旋转相反的方向,和弹体滚。有一个临界值0.5升和0.6升之间。通过改变钨合金和铝合金的长度,提出了质心的位置提高动作的稳定性。

3.4。最好的质心位置

为了进一步获得最好的质心位置,下一步进行仿真,和三个位置0.55 L, 0.56 L和0.57 L的子弹头选择。结果如图7- - - - - -10。

从上面的三个仿真结果可以看出,当质心的位置是0.55 L的头弹,弹的是稳定的,而在其他两个位置的质心,炮弹都是不稳定的。质量的三个中心位置是不同的0.1 L。因此,最好的质心位置是0.55升的子弹头,这颗子弹形状。

在一个水下弹丸抛射体的长度 ,的距离中心的弹丸头部弹的0.63 L,和关键的质心的位置是0.08 L抛射体的中心。然而,模拟研究的结论进行水下弹丸是奇特的,而不是普遍,因为这只是弹丸的长度。

提出了两个设计方案:(1)当弹丸长度的增加,临界质量中心的位置仍然是0.08 L质心的位置。(2)关键质心之间的距离和弹丸质心占8%的长度。

增加弹长度从1到1.5 L,并保持其他形状参数不变。结果可以在数据中找到11和12。通过计算,离弹丸质心位置是0.88 L。然后,在第一个设计方案,关键的质心位置应设置在0.80升;在第二个设计方案,关键的质心的位置应设置在0.76 L,和所有其他计算条件保持不变。模拟重心的两个位置。弹丸的仿真结果,可以看出,当弹头质心是0.76 L,水下弹丸稳定在其运动从600 m / s到200 m / s。当质心0.80 L的弹头,水下弹丸是稳定的。运动过程中从600 m / s到200 m / s是不稳定的。它可以显示第二个设计方案是合理的;也就是说,在水下弹丸的设计过程,从质心的距离重心应该大于或等于0.08 L的弹丸。

质心的位置的影响上面的运动性能进行了分析。根据这些分析,最优的质量中心的位置可以获得弹丸的条件,更大范围是可能的。考虑弹丸截锥。当钨合金的长度正是质心的距离头部弹,重心是最前锋的位置。此时集钨合金的长度 ,铝合金的长度 ,和总质量 。

钨合金的长度时质心的距离头部弹,无论钨合金的长度是否增加或减少,质量中心的位置是远离的头弹。

4所示。结论

在本文中,我们研究了运动稳定性和建立supercavitating弹丸的运动方程。通过理论分析和仿真计算,设计最优的质心位置优化水下supercavitating弹丸的运动性能。可以得出以下结论:(1)只有改变质心的位置,重心接近的弹丸将减少一个尾巴拍摄运动的能量消耗,但上下振动速度的蛀牙弹相对更快,和尾巴的数量增加。能源消费的差距几乎是相同的,这使得的范围没有明显差异;因此,质心只是增加一厘米的范围内(2)质心的位置有一个关键的位置;的值时,质心的头弹小于此临界值,水下弹丸运动能保持稳定。否则,结果是相反的(3)前面的一部分弹身体是由钨合金和弹体的后部是铝合金做的。有一个最佳的质量中心的位置,也就是说,最质心的位置。当质心的距离的弹丸等于钨合金的长度,位置是最好的质心位置

本文的研究可以为优化设计提供理论支持的水下supercavitating炮弹。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。