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材料密度对超空泡射弹尾拍特性的影响

黄宝珠 李代金 黄闯 古鉴霄 罗凯

黄宝珠, 李代金, 黄闯, 等. 材料密度对超空泡射弹尾拍特性的影响[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(2): 211-220 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204014
引用本文: 黄宝珠, 李代金, 黄闯, 等. 材料密度对超空泡射弹尾拍特性的影响[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(2): 211-220 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204014
HUANG Baozhu, LI Daijin, HUANG Chuang, GU Jianxiao, LUO Kai. Effect of Material Density on the Tail-slapping Characteristics ofSupercavitating Projectiles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(2): 211-220. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204014
Citation: HUANG Baozhu, LI Daijin, HUANG Chuang, GU Jianxiao, LUO Kai. Effect of Material Density on the Tail-slapping Characteristics ofSupercavitating Projectiles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(2): 211-220. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204014

材料密度对超空泡射弹尾拍特性的影响

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204014
基金项目: 国家自然科学基金项目(51909218, 51805435)
详细信息
    通讯作者:

    李代金(1980-), 男, 教授, 博导, 主要从事水下动力推进、超空泡技术方面的教学和科研工作

  • 中图分类号: TJ630.1; O352

Effect of Material Density on the Tail-slapping Characteristics ofSupercavitating Projectiles

  • 摘要: 水下超空泡射弹的尾拍运动对其弹道稳定性和作战效能具有重要影响, 为研究不同材料密度对射弹尾拍运动特性的影响, 采用动网格移动计算域技术, 建立了超空泡射弹数值计算方法和模型, 分别计算分析了铝合金、结构钢及钨合金3种不同材料超空泡射弹的弹道特性与流体动力特性, 获得了材料密度对射弹尾拍运动的影响规律。结果表明: 在出膛动能一定的条件下, 不同材料密度的射弹攻角、俯仰角速度和流体动力参数均呈周期性变化; 材料密度越大, 射弹尾拍运动周期越长, 速度衰减越慢, 对垂直方向速度影响越小。对比3种材料的射弹, 采用结构钢材质的射弹表现出更为优良的弹道性能。

     

  • 图  1  水下超空泡射弹尾拍运动示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of underwater supercavitating projectile tail-slapping

    图  2  超空泡射弹模型

    Figure  2.  Supercavitating projectile model

    图  3  弹身附近网格

    Figure  3.  Local mesh near the body of the projectile

    图  4  计算域和边界条件设置

    Figure  4.  Computational domain and boundary condition setting

    图  5  Hurbes试验模型几何特征

    Figure  5.  Geometric characteristics of the Hurbes test model

    图  6  970 m/s空泡外形的数值仿真与试验数据的对比

    Figure  6.  Comparison of numerical simulation and experimental data of 970 m/s bubble profile

    图  7  不同精度网格模型射弹阻力系数对比图

    Figure  7.  Comparison of drag coefficient of different precision grid model

    图  8  钨合金射弹尾拍动态过程

    Figure  8.  Motion process of tungsten alloy projectile tail-slapping

    图  9  铝合金射弹尾拍动态过程

    Figure  9.  Motion process of aluminum alloy projectile tail-slapping

    图  10  不同材料密度射弹攻角随时间变化曲线

    Figure  10.  Attack angle under different material densities versus time

    图  11  不同材料密度下射弹俯仰角速度随时间变化曲线

    Figure  11.  Angular velocities of pitch angle under different material densities versus time

    图  12  不同材料密度下射弹速度与尾拍运动周期对应关系曲线

    Figure  12.  The curves of correspondence between projectile velocity and tail-slapping period under different material densities

    图  13  射弹动能随时间变化曲线

    Figure  13.  The variation curves of kinetic energy of projectile versus time

    图  14  垂直方向速度随时间变化曲线

    Figure  14.  The variation curves of vertical velocity versus time

    图  15  不同材料密度下质心位移变化曲线

    Figure  15.  The variation curves of centroid trajectories under different material densities

    图  16  不同材料密度下阻力系数变化曲线

    Figure  16.  The variation curves of drag coefficient under different material densities

    图  17  不同材料密度下升力系数变化曲线

    Figure  17.  The variation curves of lift coefficient under different material densities

    图  18  不同材料密度下俯仰力矩系数变化曲线

    Figure  18.  The variation curves of pitching moment coefficient under different material densities

    表  1  超空泡射弹主要外形参数

    Table  1.   The main shape parameters of the supercavitating projectile

    L/mmDn/mmLa/mmLc/mmDc/mmLG/mm
    608.0011.88516.8091.2076.00181.79
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    表  2  数值仿真与试验数据点偏差值表

    Table  2.   Table of the deviations of numerical simulation and experimental data points

    x/Lb r/Dn 相对偏差值/%
    Hurbes试验 数值计算
    0.1 2.2 2.3 4.5
    0.4 4.1 4.2 2.4
    1.0 6.3 6.5 3.2
    1.3 7.0 7.2 2.9
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    表  3  各材料密度射弹参数表

    Table  3.   Table of the parameters of the projectiles under different material densities

    射弹
    材料
    密度/(kg·m3)质量/kgX轴转动惯量/(kg·mm2)Y轴转动惯量/(kg·mm2)Z轴转动惯量/(kg·mm2)
    铝合金2 7003.611 889.8965 482.1865 482.18
    结构钢7 80010.495 494.69190 383.36190 383.36
    钨合金19 00025.3913 299.25460 800.49460 800.49
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    表  4  不同材料射弹阻力系数

    Table  4.   Drag coefficient under different materials

    射弹材料平均阻力系数
    铝合金0.023 6
    结构钢0.023 6
    钨合金0.023 9
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-21
  • 修回日期:  2022-05-18
  • 录用日期:  2023-01-06

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