基于面元法的水下弹丸流体动力特性数值分析

论文摘要

本文基于势流理论，利用在物体表面和空泡表面分布源汇的面元法，求解了水下弹丸全湿、局部空化和超空化情况下不可压缩的势流流场。分析了空化现象产生的原因、空化的起始条件以及空化对水下弹丸阻力产生的影响。对于空化和超空化情况，采用了压力恢复模型模拟空泡尾流，分析了尾流区参数变化对压力分布的影响。对典型的弹丸模型，研究了空泡长度和空化数的关系，以及空化数和空泡脱体角正切的关系。利用迭代的方法得到了收敛的空泡外形，计算发现用此方法模拟空泡外形具有快速的收敛性。计算了空化及超空化下的压力分布，并且和相关的实验数据进行了对比，数值计算结果和实验结果具有较好的一致性。获得了水下弹丸零攻角下空化和超空化时的阻力系数，发现在局部空化时阻力系数随空化数的增大而减小，在超空化时阻力系数随空化数的减小而减小。计算了阻力系数随速度和水下深度的变化规律，为水下弹丸的初步的结构设计和弹道设计提供一定的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外空化动力学发展现状
• 1.3 本文所做的主要工作
• 2 势流理论
• 2.1 基本概念与方程
• 2.2 轴对称流动
• 2.3 绕旋成体的横向流动
• 2.4 本章小结
• 3 面元法基本理论与数值方法
• 3.1 基本方程的建立
• 3.2 空间一点处的扰动速度势与速度
• 3.2.1 轴对称流动
• 3.2.2 横向流中的旋成体
• 3.3 物面的近似
• 3.4 表面压力计算实例
• 3.5 本章小结
• 4 空化和超空化现象分析
• 4.1 空化的现象及其类型
• 4.1.1 空化的现象
• 4.1.2 空化的分类
• 4.1.3 空化数
• 4.2 空化的起始条件
• 4.3 空化及超空化对水下弹丸阻力的影响
• 4.3.1 空化对表面阻力的影响
• 4.3.2 空化对形状阻力的影响
• 4.4 本章小结
• 5 零攻角下弹丸局部空泡势流流场分析
• 5.1 局部空泡势流流场基本方程
• 5.2 流场边值问题的定解条件
• 5.3 空泡尾流模型
• 5.4 空泡脱体点
• 5.5 数值处理方法
• 5.5.1 用面元法求解回转体局部空泡流场
• 5.5.2 空泡形状的确定
• 5.5.3 回转体和空泡表面面元的划分
• 5.5.4 方程的离散
• 5.6 局部空泡求解过程的讨论及算例分析
• 5.6.1 已知空泡长度求解空泡形状和空化数
• 5.6.2 己知空化数求空泡的长度
• 5.6.3 计算结果
• 5.7 本章小结
• 6 零攻角下弹丸超空泡势流流场分析
• 6.1 超空泡势流流场的基本方程
• 6.2 流场边值问题的定解条件
• 6.3 空泡尾流模型
• 6.4 数值处理方法
• 6.4.1 用面元法求解回转体局部空泡流场
• 6.4.2 空泡形状的确定
• 6.4.3 回转体和空泡表面面元的划分
• 6.4.4 方程的离散
• 6.5 超空泡算例
• 6.5.1 锥头弹丸的计算结果
• 6.5.2 平头弹丸的计算结果
• 6.6 本章小结
• 7 零攻角下水下弹丸阻力特性的算例分析
• 8 结束语
• 致谢
• 参考文献