摘要:

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摘要:航行体入水瞬间会受到极大的冲击载荷，可能会对弹体结构造成破坏甚至影响入水弹道稳定性。 以设计头型与经典头型试验弹为研究对象，开展跨介质高速入水载荷测试试验，获得了跨介质高速入水过程中流线型试验弹的轴向过载及冲击载荷的变化规律，验证了跨介质高速入水过程中的运动规律及空化发展规律，分析流场特性与演变过程。试验结果表明：随着速度增加，流动形成与发展阶段试验弹存在空泡闭合阶段与轴向过载稳定段。对比分析了跨介质高速入水过程中不同头型的轴向过载、入水冲击载荷的变化规律， 并与 MK46 外形试验弹、超空泡头型试验弹入水载荷进行对比。结果表明：流线型外形撞水阻力系数为 0.023， MK46 外形试验弹外形为 0.265，超空泡外形为 0.1，所用的流线型头型入水降载效果显著。

摘要:水下超空泡航行体利用高速航行时产生的超空泡包裹大部分弹体，使弹体表面不与水流体接触， 从而可大幅减少摩擦阻力，是当前实现水下超高速航行的重要减阻技术之一。在空泡内部，航行体尾部有一部分会碰撞到空泡壁面或在空泡壁面上滑行，由此形成的水动力称为超空泡滑行力，它是影响水下超空泡航行体运动性能的关键水动力，也是超空泡航行体研究领域中的重要课题和难点。梳理了超空泡滑行力理论研究从简单到复杂的发展历史，对比分析了超空泡滑行力模型与平面入水理论的内在联系，揭示了超空泡滑行力建模方法是 WAGNER 平面入水理论在弧形水面上的推广和应用，指出了其中的关键突破是解决了物体在弧形水面上的入水问题，为准确理解和进一步发展超空泡滑行力模型提供了思路。

摘要:当前射弹弹道预测方法在处理入水后复杂非线性流场变化时，存在对湍流与空化等关键物理现象描述不足的问题，导致预测精度和适用性受限。针对上述问题，本研究结合数值仿真与机器学习技术，提出了一种高效的射弹入水弹道预测方法。首先，采用雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）方程、SST 湍流模型、 VOF 多相流模型及 Schnerr-Sauer 空化模型，模拟射弹入水过程中的流体动力学特性，并利用六自由度刚体运动模型与重叠网格技术，分析射弹在不同入水角度下的运动轨迹。为提高预测精度，引入全连接神经网络 （FCNN）作为预测模型，对仿真结果进行训练与优化。结果表明：所提模型能够在不同入水角度下有效预测射弹的运动轨迹，预测误差控制在±5%以内。此外，研究发现射弹入水后的速度、深度及偏移量等物理量的预测结果与仿真数据高度一致。结论表明：所提出的机器学习模型显著提高了射弹入水弹道的预测精度，具有较强的工程应用价值，为相关领域提供了有效的技术支持。

摘要:研究浮冰对航行体出水过程中的空泡流场与水动力特性影响机制，对于拓展潜射武器装备在冬季低温浮冰环境的应用具有重要意义。基于计算流体动力学–有限元方法（Computional fluid dynamics-Finite Element Method，CFD-FEM），构建了碎冰环境下钝头通气航行体撞冰出水双向流固耦合计算模型，对比研究了自由水域与碎冰环境下航行体垂直出水空泡形态演化及水动力特性的差异。结果表明：浮冰造成肩空泡出现弯曲褶皱，促进了空泡与周围液体的掺混，流场的高速和旋涡存在区域面积明显增大。浮冰冲击造成航行体头部出现高应力区域，显著增加了航行体穿越水面阶段的动能损失，降低了其运动稳定性。适用于冰区环境的新型航行体必须具备更强的抗冲击韧性，研究结果可为新型冰区航行体的设计提供一定参考。

摘要:航行体高速入水时涉及复杂流固耦合作用，产生强瞬态冲击载荷，易引发结构失效。基于 StarCCM+和 ABAQUS 平台，耦合 RANS 方程、VOF 多相流模型、空化模型与 Johnson-Cook 本构模型，建立了高速入水仿真模型。研究表明：入水冲击诱导的应力波在结构内部反复回传形成稳定导波，正向传播产生压缩效应，其轴力极值显著高于逆向传播的拉伸效应；垂直入水速度增大使头部应力分布不均匀性加剧，导致载荷性质由压应力向拉应力转变，促使各截面轴力振幅显著增大，但对应力波传播速度影响有限；斜入水不对称性引发应力波轴向–径向耦合传播，随入水角度减小，传播路径从 Z 字型转为连续扩散模式，轴力幅值趋于平稳而弯矩呈现先增后减趋势。研究结果可为相关结构设计与防护提供参考。

摘要:研究航行体跨界质过程中周围流场的演变规律、航行体的流体力特性的响应机制对优化航行体设计、提高航行效率和延长使用寿命具有重要意义。本研究基于叉树数据结构，结合洞边界和流体体积模型 （Volume of Fluid，VOF）的体积分数梯度对笛卡尔网格进行自适应网格细化和粗化，解决了重叠网格方法中网格数量过多的问题。验证结果显示，在同等网格尺度及计算配置的情况下，采用自适应网格技术能够节省 64.59%的计算时间。在对航行体以不同初速度出水过程的参数化研究中，重叠网格方法用于离散有运动部件的计算域，VOF 多相流模型用于求解流体体积分数方程，有限体积方法（Finite Volume Method，FVM）用于对控制方程进行空间和时间离散，Realizable k-ε 湍流模型用于对湍流方程进行求解。参数化仿真结果表明： 自由液面效应和尾流拉曳断裂对航行体出水过程影响较大。初始航行速率越大，所受到的流体力就越大，航行体速率呈非线性下降。

摘要:航行体跨介质高速入水后通常会形成入水空泡，入水空泡与航行体的耦合作用产生的水动力对入水后的运动具有重要影响。而航行体尾部在空泡内往复拍击运动的作用力是影响航行体水下运动的关键因素之一。在尽可能减少运动与空泡耦合作用干扰的条件下，通过不同航行体尾部拍击频率与摆动幅值的数值模拟，获得了指定运动规律下的空泡和尾部水动力特性变化规律，可为深入理解尾拍过程水动力变化机制提供参考。研究结果表明，在本文研究范围内，当尾拍频率较小（f=5 Hz）时，尾拍法向力受航行体攻角（尾部浸没角）影响更大；当尾拍频率较大（f=100 Hz）时，尾拍法向力受航行体尾拍角速度的影响更大；在指定运动规律下，尾拍法向水动力峰值与尾拍幅值呈线性关系。

摘要:针对水上飞机全约束固定姿态着水过程中的砰击载荷减缓问题，提出了一种基于底部通气缝的主动降载方法。通过设计包含 4 个不同位置通气缝的试验模型，构建了完备的试验平台与数据处理系统，系统研究了静水环境下单缝及多缝联合通气策略的降载效应。试验结果表明：在 116.34 L/min 恒定通气流量条件下，第 2、第 3 通气缝单独通气时，砰击峰值载荷较未通气工况分别降低 15.1%和 11.9%，证实了局部通气方案的可行性；然而，第 1 通气缝、断阶处通气缝及多缝联合工况却导致载荷增加，揭示了通气缝位置分布对气垫形成机制的关键影响。

摘要:高温高压超声速燃气喷入水中的流动过程是一个复杂物理现象，在气液相界面不仅存在着明显的燃气和水的运动速度差，还存在剧烈的相变现象。基于多相流 MIXTURE 模型，建立了考虑高温效应的非平衡相变模型，对水下超声速燃气喷流形态变化规律及流场激波结构、压力演化、气汽液界面非稳态特性影响机理进行了研究。数值结果表明，喷流向下游发展的过程中不断与周围水流场相互作用并发生动量交换， 对喷流形态和流动现象影响很大，射流出现周期性颈缩振荡阶段。在小背压条件下，射流核心的组分基本都是燃气几乎不含水，高温射流的边缘处较容易产生相变；随着背压的增大，水蒸汽主要分布于射流中后部和膨胀气团中。

摘要:航行体入水作为经典的流体力学问题，长期受到学术界广泛关注。然而，现有研究多集中于航行体入水后的首次砰击压力峰值与航行体运动轨迹分析，对空泡闭合阶段的流固耦合机制鲜少涉及。值得注意的是，当航行体完全浸没后，空泡闭合引发的压力震荡现象将显著改变其运动特性，该机制尚未得到系统研究。现有研究表明，流体介质的可压缩性对于模拟空泡闭合后的运动响应具有重要的影响。采用可压缩轴对称多相有限体积法（Finite Volume Method，FVM）研究锥形体入水问题，着重揭示空泡闭合后的锥形体动力学响应。结果表明：本文建立的可压缩轴对称多相 FVM 模型能很好地模拟此类入水问题，可精确复现航行体入水、空泡闭合、射流和压力振荡等过程。同时，阐释了导致航行体加速度振荡的原因。

摘要:入水初始扰动对射弹高速入水稳定性与结构变形具有重要影响。初始扰动同时包含攻角和侧滑角，但当前的研究主要集中于攻角的变化。为获得侧滑角对射弹高速斜入水流固耦合特性的影响，基于计算流体力学与计算结构力学模型，建立双向流固耦合数值计算方法，研究了侧滑角 ? = 0^。_,1^。_,2^。_,3^。_,4^。_,5 下射弹在入水速度 v=700 m/s， 入水角?=3^。 时的入水空泡演化、动力学和结构响应特性规律。结果发现：1）射弹高速倾斜入水过程中，侧滑角会对射弹的入水弹道轨迹产生影响，当侧滑角小于临界值时，随着侧滑角的增加，弹道仍呈直线，空泡形态也较为规则，但射弹的偏航运动持续增强；当侧滑角大于临界值后，射弹的运动轨迹会因射弹弯曲变形产生弯曲，并出现抬头出水运动，空泡也会发生弯曲变形。2）射弹入水弹体变形主要以弯曲变形为主，造成的拉伸塑性应变数值略大于压缩变形。且塑性应变非持续增长，存在阶段增长特性，增长速率越大，稳定段维持时间越短。

摘要:基于 Rayleigh-Plesset（R-P）方程，对粘性液体中空泡平衡的稳定性，空泡爆发过程，以及爆发强度（由最大发展速度表征）进行了分析。稳定性分析表明：空化初生时，不可凝结气体不可或缺，而且应处于等压和等温过程之间，即多方指数应处于（0，1）之间，这意味着空化初生由质量扩散和传热共同主导。 尤其空化初生刚开始时，该过程逼近于等压过程。通过计算强烈空化时的空泡早期发展过程可以推测，空化初生时，液体表面张力的作用很弱，表面张力的作用只在空泡发展的中后期呈现出来。另外，气泡在局部最小尺寸附近的最大发展速度和最大溃灭速度的表达式表明，两者的差异程度只与液体粘性效应有关。

摘要:本基于 VOF 均相流模型，耦合 SST k-ω 湍流模型、Schnerr-Sauer 空化模型及重叠网格技术，建立了高速入水多相流场与航行体多自由度运动的耦合数值模型，系统研究了空化盘预置偏角对超空泡航行体小角度入水转平特性影响及其调控机理。研究表明：航行体入水转平过程呈现三阶段演化特征——空泡形成阶段，空泡全包裹阶段以及尾拍滑行阶段；数值分析揭示了空化盘预置偏角的调控机制，其产生的法向载荷可达航行体重力的量级，并通过稳定抬头力矩主导姿态调整；增加空化盘预置偏转角可显著提高航行体受到的法向载荷分量以提高其俯仰角速度，有利于实现不同入水深度的定深直航控制，但偏角过大也容易导致航行体弹道失稳。研究结果可为超空泡航行体入水弹道设计与姿态控制提供参考。

摘要:针对水下航行体推进器布局的多目标优化问题，以泵喷效率、航行体阻力和泵喷消耗功率为优化目标，采用代理模型方法对推进器的纵向安装距离和横向安装距离进行了优化设计。采用面心复合设计 （FCCD）与拉丁超立方抽样（LHS）结合的方式确定初始设计节点。通过数值模拟获得初始设计点目标响应数据，采用克里金（Kriging）、广义回归（PRS）、径向基（RBNN）、Shepard（SHEP）和 PWS 混合加权代理模型对目标变量进行拟合，并基于 Pareto 多目标优化方法优化推进器安装位置参数。研究表明，PWS 代理模型具有最低的拟合误差，优化后的推进器安装位置显著提高了泵喷效率，同时有效降低了航行体阻力和泵喷消耗功率，提升了推进系统的整体性能。另外，典型工况的数值结果与 PWS 代理模型预测结果较吻合，PWS 代理模型优化方法可为水下航行体推进系统布局提供可靠方案。