空氣域壓力對(duì)高速射彈入水流場影響.pdf

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1、2015年8月北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)August2015第41卷第8期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．8http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0594空氣域壓力對(duì)高速射彈入水流場影響陳晨1，馬慶鵬2，(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱150001；2．魏英杰“，王聰1中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽621900)摘要：為研究空氣域壓力對(duì)射彈入水流場的影響，采用流體體積法(VOF)多

2、相流模型對(duì)錐頭圓柱體高速入水過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到射彈入水速度與入水深度以及空泡形態(tài)的分析結(jié)果，并將數(shù)值模擬結(jié)果與基于牛頓第二定律和文獻(xiàn)的理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值方法的正確性．基于該方法針對(duì)不同空氣域壓力條件對(duì)入水過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明空氣域壓力對(duì)自由液面上方的噴濺形態(tài)、空泡表面閉合時(shí)間以及空泡內(nèi)部空化效應(yīng)影響較大．空氣域壓力越大，空泡敞開階段的空泡口處半徑越小，空泡發(fā)生表面閉合的時(shí)間越早，空泡內(nèi)部空化效應(yīng)越強(qiáng)．關(guān)鍵詞：高速入水；錐頭圓柱體；空泡；空氣域壓力；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TVl3I．2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001．5965(2015)08．1443-08入水過程是指運(yùn)動(dòng)體

3、以一定的初速度從空氣中撞擊并穿越氣水界面進(jìn)入水中的過程．對(duì)于入水現(xiàn)象的研究在第二次世界大戰(zhàn)之前還沒有明確的應(yīng)用背景，直至空投魚雷的出現(xiàn)，引起了各國相關(guān)科研部門對(duì)于魚雷入水過程中的結(jié)構(gòu)破壞、入水彈道失穩(wěn)及入水彈跳等問題的高度重視．Worthington和Cole?首次通過試驗(yàn)觀測到液滴和球體的入水過程，定性地分析了入水過程所產(chǎn)生的噴濺、空泡和由空泡閉合產(chǎn)生的射流等流動(dòng)現(xiàn)象．May和Woodhull舊’41針對(duì)球體的密度、表面狀態(tài)以及尺寸展開了試驗(yàn)，得到了球體入水的附加質(zhì)量系數(shù)、臨界速度、空泡形成與發(fā)展規(guī)律等一系列研究結(jié)果．Truscott和Teehet"刮針對(duì)球體旋轉(zhuǎn)入水問題開展了大量的

4、試驗(yàn)研究，分析了表面狀態(tài)等因素對(duì)空泡發(fā)展過程的影響，得到了不同旋轉(zhuǎn)角速度條件下球體入水的空泡流動(dòng)特性，并估算了球體人水過程的升力和阻力．Gordil-lo等¨1應(yīng)用勢流理論對(duì)高雷諾數(shù)下的空泡最小半徑和閉合點(diǎn)附近空泡形態(tài)隨時(shí)間的變化過程進(jìn)行了數(shù)值研究．何春濤¨3采用數(shù)值模擬方法分別針對(duì)球體和圓柱體勻速垂直入水以及自由垂直過程進(jìn)行了研究，得到了空泡生成和發(fā)展過程、影響因素及阻力系數(shù)變化規(guī)律等結(jié)論．同時(shí)對(duì)典型回轉(zhuǎn)體進(jìn)行了入水空泡試驗(yàn)，包括球體和圓柱體入水試驗(yàn)以及兩圓柱體串、并聯(lián)入水試驗(yàn)，分析了表面沾濕狀態(tài)、頭部形狀及回轉(zhuǎn)體密度對(duì)入水空泡演化過程的影響．馬慶鵬等一1對(duì)錐頭圓柱體垂直自由高速入水

5、問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了入水后速度和入水空泡的發(fā)展規(guī)律，并分析了初始速度對(duì)空泡發(fā)展的影響．盡管在實(shí)際情況中空氣域壓力是恒定的，然而在Gilbarg和Anderson¨叫的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)空氣域壓力對(duì)球體低速垂直人水的空泡發(fā)展影響較大．因此為了探究空氣域壓力對(duì)高速射彈入水過收稿日期：2014．09．25；錄用日期：2014—12-25；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-01—1511：00網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．enki。net／kcms／detail／11．2625．V．20150115．1100．002．html基金項(xiàng)目：哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金(2013RFLXJ007)；黑龍江省

6、自然科學(xué)基金(A201409)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(HIT．NSRIF．201159)作者簡介：陳晨(1988一)。女，遼寧葫蘆島人，博士研究生，ehenehenl9880112@163．com}通訊作者：魏英杰(1975一)，男，黑龍江大慶人，教授，weiyingjie@gmail．com，主要研究方向?yàn)槎嘞嗔黧w動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)．引用格式：胨晨，馬慶鹛，魏英杰，等．空氣域壓力對(duì)高速射彈入水流場影響fJJ．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41(8)：1443-1450．ChenC，MaQP，WeiYJ，eta1．EffectsofoperatingpressureOllh

7、igh-speedprojectile’swater—entry1low[JJ．JournalofBeijingUnivemityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(8)：1443-1450(inChinese)．1444北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)2015年程的影響，本文對(duì)127。錐頭圓柱體以500m／s的初始速度垂直人水過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證其合理性．在此基礎(chǔ)上，開展不同空氣域壓力條件