• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊
  • Scopus收录期刊
  • DOAJ收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 魏英杰, 何乾坤, 王聪, 等. 超空泡射弹尾拍问题研究进展[J]. 舰船科学技术, 2013, 35(1): 7-15.

    Wei Yingjie, He Qiankun, Wang Cong, et al. Review of study on the tail-slap problems of supercavitating projectile[J]. Ship Science and Technology, 2013, 35(1): 7-15.
    [2] 姜百汇, 马春勋, 刘乐华. 国外超空泡技术及其应用[J]. 飞航导弹, 2008(11): 20-24. doi: 10.16338/j.issn.1009-1319.2008.11.008

    Jiang Baihui, Ma Chunxun, Liu Lehua. Foreign supercavitating technology and its application[J]. Aerodynamic Missile Journal, 2008(11): 20-24. doi: 10.16338/j.issn.1009-1319.2008.11.008
    [3] Savchenko Y N. Control of supercavitation flow and stability of supercavitating motion of bodies[C]//VKI Special Course on Supercavitating Flows. Brussels, Belgium: von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2001.
    [4] 李喜顺, 江玉峰. 重力对超空泡射弹稳定性的影响[J]. 四川兵工学报, 2011, 32(5): 43-44.

    Li Xishun, Jiang Yufeng. Impact of gravity for stability of super-vacuole projectile[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2011, 32(5): 43-44.
    [5] May A. Water entry and the cavity-running behavior of missiles[R]. Arlington: Naval Sea Systems Command, 1975.
    [6] Rand R, Pratap R, Ramain D, et al. Impact dynamics of a supercavitating underwater projectile[C]//Proceedings of the 1997 ASME Design Engineering Technical Conferences. Sacramento, CA, US: ASME, 1997.
    [7] Savchenko Y N. Investigation of high-speed supercavitating underwater motion of bodies[C]// Proceedings of NATO-AGARD. Kiev: NAS-IHM, 1997: 1-12.
    [8] 梁景奇, 徐保成, 王瑞, 等. 初速对高速射弹尾拍特性影响研究[J]. 弹箭与制导学报, 2020, 40(2): 130-134. doi: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2020.02.032

    Liang Jingqi, Xu Baocheng, Wang Rui, et al. Study on the influence of initial velocity on the characteristics of high speed projectile tail-slapping[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2020, 40(2): 130-134. doi: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2020.02.032
    [9] 陈伟善, 郭则庆, 刘如石, 等. 空化器形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究[J]. 工程力学, 2020, 45(4): 1370-85.

    Chen Weishan, Guo Zeqing, Liu Rushi, et al. Numerical simulation on the influence of cavitator shapes on the tail-slap of supercavitating projectiles[J]. Engineering Mechanics, 2020, 45(4): 1370-85.
    [10] 赵成功, 王聪, 魏英杰, 等. 质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2014, 40(12): 1754-60. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0014

    Zhao Chenggong, Wang Cong, Wei Yingjie, et al. Analysis of the effect of mass center position on tailslap of supercavitating projectile[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 40(12): 1754-60. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0014
    [11] 张浩. 基于波浪条件下射弹入水弹道特性研究[D]. 太原: 中北大学, 2021.
    [12] Zhao X, Lyu X, Da L I. Modeling of the tail slap for a supercavitating projectile[C]//2018 IEEE 8th International Conference on Underwater System Technology: Theory and Applications. Wuhan, China: IEEE, 2018.
    [13] 蔡涛, 李强, 鹿麟, 等. 空化槽对弹丸水下运动特性的影响[J]. 兵器装备工程学报, 2020, 41(3): 36-40. doi: 10.11809/bqzbgcxb2020.03.007

    Cai Tao, Li Qiang, Lu Lin, et al. Influence of cavitation groove on movement characteristics of projectile underwater[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2020, 41(3): 36-40. doi: 10.11809/bqzbgcxb2020.03.007
    [14] Ping W, Jian H, Chen T. Stability analysis and control of supercavitation projectile[C]//2012 IEEE International Conference on Intelligent Control, Automatic Detection and High-End Equipment. Beijing, China: IEEE, 2012.
    [15] 黄闯. 跨声速超空泡射弹的弹道特性研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2017.
    [16] 刘富强, 罗凯, 黄闯, 等. 并列超空泡射弹弹道特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(2): 202-208. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.013

    Liu Fuqiang, Luo Kai, Huang Chuang, et al. Study on ballistic characteristics of the parallel supercavitating projectiles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(2): 202-208. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.013
    [17] Moin P. Progress in large eddy simulation of turbulent flows[C]//35th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Stanford, CA: AIAA, 1997.
    [18] 黄闯, 罗凯, 党建军, 等. 流域径向尺度对自然超空泡的影响规律[J]. 西北工业大学学报, 2015, 33(6): 936-941. doi: 10.3969/j.issn.1000-2758.2015.06.011

    Huang Chuang, Luo Kai, Dang Jianjun, et al. Influence of flow field’s radial dimension on natural supercavity[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2015, 33(6): 936-941. doi: 10.3969/j.issn.1000-2758.2015.06.011
    [19] 钱铖铖. 超空泡射弹高速入水数值模拟研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2018.
    [20] 张学伟. 水下超空泡射弹运动仿真与弹道特性分析[D]. 太原: 中北大学, 2017.
    [21] 王瑞, 党建军, 姚忠, 等. 空化器锥角对射弹跨音速入水初期超空化流动影响研究[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(2): 200-205.

    Wang Rui, Dang Jianjun, Yao Zhong, et al. Influence of cavitator cone angle on supercavitation flow of projectile in initial stage of transonic water-entry[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2019, 27(2): 200-205.
    [22] Hrubes J D. High-speed imaging of supercavitating underwater projectiles[J]. Experiments in Fluids, 2001, 30(1): 57-64. doi: 10.1007/s003480000135
  • 加载中
图(18) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  252
  • HTML全文浏览量:  46
  • PDF下载量:  45
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回
    服务号
    订阅号