并列超空泡射弹弹道特性研究

刘富强, 罗 凯, 黄 闯, 古鉴霄, 董兴杰, 蒲汉平

并列超空泡射弹弹道特性研究

刘富强1, 罗 凯1, 黄 闯1, 古鉴霄1, 董兴杰2, 蒲汉平3

(1. 西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072; 2. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077; 3. 中国人民解放军 63759部队, 吉林 长春, 130051)

为了研究不同间距并列射弹对射弹的流体动力特性和弹道特性的影响, 文中基于流体体积函数(VOF)多相流模型, 采用多重参考系和动网格及移动计算域技术, 建立射弹入水仿真模型, 对单射弹和并列射弹的入水自由减速过程进行数值仿真。结果表明: 并列发射工况下, 射弹受到侧向力, 有攻角航行时空泡形态发生明显偏移, 射弹更容易穿刺空泡, 并且并列间距越小, 穿刺距离越长; 并列射弹的阻力系数明显高于单发射弹, 当并列间距为75 mm时, 阻力系数增加34.92%; 并列射弹的运动稳定性受到并列间距的影响, 在并列间距为50 mm弹径工况中, 并列射弹发生颠覆, 弹道失稳; 随着并列间距的增大该影响逐渐减弱, 当并列间距为100 mm弹径时, 并列射弹弹道稳定。研究结果可为并列超空泡射弹的工程应用提供参考。

并列超空泡射弹; 弹道特性; 流体动力; 数值仿真

0 引言

空射超空泡射弹采用多管并射形成弹幕攻击水下目标, 可有效提高命中概率, 增强杀伤效果, 主要应用于机载射弹灭雷、舰艇饱和攻击等。射弹从空中攻击水下目标时, 如采用多管并射形成弹幕, 可有效增强攻击性能, 增加命中率[1]。多管并射不同于单管串列发射, 射弹之间无时间差异影响。然而, 并列射弹在入水过程中互相间存在干扰, 较小的间距会使射弹弹道颠覆, 较大的间距受空间位置限制难以形成强大的战斗力。因此, 合适的并列间距对于提高攻击性能至关重要。

目前, 国内外对超空泡射弹入水及水下航行器超空化问题的理论研究和数值仿真较为成熟。Fu等[2]基于Kubota空化模型研究了回转体在超空化流中的空泡流型和阻力特性。Saranjam[3]建立并验证了超空化流动的数值模型, 研究了超空泡航行器的动力学特性。Yao等[4]通过实验研究了子弹型抛射物入水空泡发展过程, 建立了入水空泡动态变化的数学模型。周景军[5]基于计算流体(com- putational fluid X, CFX)软件建立了超空化流场的数值方法, 研究了航行器在动态运动中的空泡形态和流体动力特性。郭子涛[6]对于射弹入水开展实验研究, 获得了超空泡射弹速度衰减特性和弹道轨迹的预报方法。梁景奇[7]使用流场运动耦合法研究了超空泡射弹不同攻角垂直入水过程的阻力特性、空泡形态及弹道特性, 结果表明弹体入水姿态变化受沾湿部位及沾湿面积影响较大。

公开发表的文献中, 对并列射弹的研究尚不多见。金大桥[8]研究了不同间距并列发射时2个射弹相互影响下的流场特性, 发现间距较小时射弹间会产生侧向力, 当间距大于4倍弹径时, 两射弹之间基本上没有相互作用, 彼此不产生影响。其主要研究了并列射弹入水初期速度场特性, 未对并列射弹的弹道特性进行预报。并列射弹在入水及水下运动的过程中由于涉及多个超空泡流场之间的相互耦合, 较为复杂, 因此对并列射弹入水问题研究极为必要。

文中基于流体体积函数(volume of fluid, VOF)多相流模型, 采用多重参考系和动网格及移动计算域技术, 构建射弹入水仿真模型, 模拟单射弹入水以及不同间距并列射弹入水自由减速过程, 研究在800 m/s、1°攻角工况下, 并列超空泡射弹入水的流场特性和流体动力特性; 对比单射弹和不同间距并列射弹的弹道特性, 为并列射弹入水问题提供弹道预报, 同时为并列超空泡射弹的工程应用提供参考。

1 数值仿真模型建立

1.1 数值方法

射弹入水涉及气-液-汽三相流动, 超空泡射弹入水和水下流场的求解为了获得空泡外形和流体动力, 采用VOF多相流模型可以更好地观察自由液面的变化[9]。湍流是粘性流体在大雷诺数流动中所表现的随机脉动和各向不均匀性。文中选用Shih[10]提出的基于雷诺时均(Reynolds aver- age Navier-Stokes, RANS)的Realizable-ε湍流模型, 其具有较高的仿真精度和数值稳定性。

超空泡射弹在入水过程中和水下航行时均涉及空化问题, 即当流场静压低于饱和蒸气压时液态水蒸发成水蒸气。过往研究中, Singhal[11]采用空化模型仿真超空泡射弹入水过程的空化绕流。Schnerr等[12]采用空化模型仿真超空泡射弹的水下稳定空化绕流。基于此, 文中采用空化模型描述以自然空化为主的相间质量传递。

多重参考系(multiple reference frames, MRF)是Issa等[13]于1994年提出的一种计算模型, 其强制绝对速度的连续性, 为所考虑的子域提供正确的速度邻近值。文中采用MRF模型模拟超空泡射弹相对运动。

这时，一只千年海龟从海里爬了出来:“果子没毒，纸条上面写的是真的!”两人听了开心极了，可是过了一会儿又发愁了，谁吃这个果子呢？

动网格模型可模拟运动体流域边界随时间改变的问题。在Fluent软件中, 网格的更新由计算程序根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成。文中流场与运动的耦合求解采用Fluent动网格的6 自由度(degrees of freedom, DOF)求解器[14]。

1.2 可行性验证

有学者对25.4 mm平头弹丸在603 m/s的初速度入水过程进行了实验研究, 利用高速摄像机拍下了弹丸入水冲击形成空泡的发展过程[6], 文中采用已构建数值仿真方法对相同工况进行数值仿真, 并与实验结果进行对比, 如图1所示。

由图1可以看出, 弹丸在相同入水时刻流场形态相同。图2对实验记录3个时刻不同位置的空泡直径实验点与空泡轮廓进行对比, 发现观测的10个位置点基本均在空泡轮廓曲线上。仿真结果与实验结果拟合程度较好, 偏差不超过5%, 该数值仿真模型可用。

图1 入水实验结果与数值仿真结果对比

图2 入水空泡外形实验结果与数值仿真结果对比

1.3 射弹模型建立

文中所构建的射弹模型中, 射弹圆柱段直径为30 mm, 圆柱长度为1.2倍弹径, 射弹全长为8倍弹径, 空化器锥角为84°, 空化器直径为0.2倍弹径。并列射弹模型计算流域边界示意如图3所示。图中, 并列射弹弹轴间距为, 计算域入口采用速度入口; 计算域出口和外边界采用压力出口; 射弹采用壁面设置; 应用MRF模型实现超空泡射弹的运动, 应用动网格及移动计算域技术实现射弹自由减速, 射弹入水初速度为800 m/s。

由于射弹模型及其运动呈对称性, 因此仅对流场的一半计算域进行网格划分, 从而在保证计算要求基础上减小网格数量, 提高计算效率。采用计算流体力学软件ICEM CFD划分射弹结构化网格, 利用O-block技术划分“C”形网格, 从而提高网格质量。射弹头部和尾部网格局部放大图如图4所示, 网格数量约为110万。

图3 计算域边界示意图

图4 并列射弹局部网格模型

1.4 流场初始化

文中研究并列射弹由并列枪管同时发射, 在发射初期, 射弹之间无时间差异。但由于并列射弹带攻角入水, 在入水瞬间, 必定存在入水前后问题。如图5所示,射弹首先入水,射弹随后入水,射弹入水后在入水点附近流场发生明显的变化, 该流场状态亦为射弹入水初始流场, 不同于静水面, 因此射弹必定影响射弹的入水过程, 影响强度与发射初期、两射弹弹轴间距即发射管分布有关。文中对射弹的流体动力特性和弹道特性进行了研究, 同时研究了并列射弹弹轴间距对其射弹的运动特性影响。

图5 并列射弹垂直入水初始工况密度云图

2 单射弹入水运动特性

对不同攻角单射弹入水问题进行仿真, 攻角包括0°、0.5°、1.0°、1.2°、1.5°和2.0°共6组数据。

2.1 流场特性及空泡形态

单射弹在不同攻角下垂直入水的空泡形态如图6所示。图中绿色表示空泡形态, 红色表示射弹沾水部分。图6(a)中表示0°攻角工况射弹弹轴与空泡最易沾湿面的夹角值为1.09°, 观察不同攻角射弹的沾水形态, 射弹在1.0°攻角时尾部有沾水的趋势, 而后随着入水攻角的增大, 射弹尾部沾水面越来越大, 1.2°攻角时沾水长度为42.8 mm、1.5°时为63.3 mm、2.0°时为77.6 mm。观察不同工况下射弹尾部空泡直径, 其几乎不变。

图6 射弹不同攻角入水空泡形态图

2.2 单射弹自由减速入水

单射弹不同攻角垂直入水时, 在1.0°攻角几乎不发生沾水现象, 在1.0°攻角后出现急剧沾水现象。文中对射弹在1.0°攻角自由减速垂直入水过程进行数值仿真, 以作为后文并列超空泡射弹入水弹道特性研究的基础。

图7表示射弹在1.0°攻角自由减速入水过程中连续5个时刻射弹沾水空泡形态图。可以看出, 射弹沾湿情况明显不同, 射弹在自由入水过程中发生上下拍水, 亦称尾拍现象。尾拍发生过程中, 射弹尾部空泡大小几乎不变, 而沾水长度出现明显变化。

图7 不同时刻单射弹入水沾水特性

监测射弹在自由减速过程中的运动状态, 其质心纵坐标和流体动力曲线如图8所示。

由图8(a)质心纵坐标曲线可以看出, 质心位置发生振荡, 这是由于尾拍现象造成的。射弹沿初始速度方向运动107 m, 质心最大偏移量为133 mm, 偏移百分率为0.12%, 说明该工况射弹稳定性良好, 弹道平稳。

式中:F和F分别为射弹入水运动中的阻力和升力;为水的密度;为射弹在轴向的瞬时速度;为射弹的特征面积, 取射弹圆柱段横截面积。

射弹在与空泡上下面沾水时, 阻力系数出现峰值, 升力系数出现峰谷值, 射弹在尾拍阶段平均阻力系数为0.0235, 尾拍阶段平均升力系数为0.000129, 几乎为零。

图8 单射弹自由减速入水特性曲线

3 并列射弹入水运动特性

对不同间距并列射弹以800 m/s初速度1°攻角入水自由减速过程进行数值仿真, 并列射弹弹轴间距分别取50 mm, 75 mm和100 mm。对比不同间距时并列射弹自由减速入水过程中的流场特性、空泡形态、弹道特性和流体动力特性, 研究弹轴间距对并列射弹水下运动的影响。

3.1 流场特性及空泡形态

不同间距时并列射弹自由减速入水初期射弹的空泡形态对比如图9所示。

并列射弹入水空泡直径略大于单射弹空泡直径, 这是由于并列射弹形成各自空泡耦合作用造成的。单射弹入水初期射弹尾部不发生沾水, 并列射弹尾部发生明显的沾水, 射弹弹轴间距越小, 尾部沾水长度越大, 当=50 mm时, 沾水长度为77.6 mm, 约为1/3弹长, 此时对射弹弹道影响较大。射弹并列发射工况下, 受到侧向力作用, 有攻角航行时空泡形态发生明显偏移, 射弹更容易穿刺空泡, 并且并列间距越小, 穿刺距离越长。并列射弹弹轴间距对射弹入水流场及空泡形态产生明显影响, 弹轴间距越小, 影响程度越大。

图9 不同间距并列射弹A入水空泡形态对比

3.2 弹道特性

对不同间距时并列射弹在自由减速入水过程中的质心纵坐标、速度和俯仰角等反映弹道特性的物理量进行曲线拟合, 参见图10和图11。

图10 并列射弹A质心纵坐标及速度随位移变化曲线

图10(a)为并列射弹的质心纵坐标曲线。由图可知,=50 mm工况下, 射弹水平位移2 m, 质心纵坐标向下偏移150 mm, 为5倍射弹圆柱段直径, 可见50 mm间距并列射弹在相互干扰下其弹道不稳定, 发生明显偏移, 射弹极易发生倾覆现象。而在其他工况下, 射弹质心纵坐标偏移呈周期性分布, 即并列射弹发生尾拍现象, 水平位移18 m, 质心纵坐标偏移量不超过60 mm, 为位移量的0.33%, 其弹道稳定。不同间距并列射弹自由减速入水过程中弹道稳定性主要由并列射弹之间相互干扰造成, 弹轴间距越小, 干扰强度越大, 甚至造成射弹倾覆。图10(b)为并列射弹在自由减速入水过程中的轴向速度曲线。由图可知, 单射弹入水自由减速最慢, 100 mm和75 mm间距并列射弹减速次之, 50 mm间距并列射弹减速极快, 其中射弹每轴向运动2 m, 速度衰减超过200 m/s, 而其他工况下, 射弹每轴向位移2 m, 速度衰减不超过50 m/s。

观察图11(a)俯仰角曲线, 单射弹、75 mm和100 mm间距时并列射弹均在空泡内发生尾拍现象, 而50 mm间距时并列射弹在短时间内其俯仰角绝对值急剧增大, 射弹发生倾覆现象。

图11 并列射弹A弹道特性

图11(b)表示50 mm间距并列射弹的倾覆形态图, 此时射弹发生明显偏转, 其方向速度超过200 m/s; 同时射弹随体空泡明显减小, 射弹俯仰角增大, 沾水面增大, 所受阻力增大, 射弹在方向减速效果明显且发生倾覆, 远离初始弹道, 射弹运动失稳。

从图11(a)还可得出, 对比射弹发生尾拍现象的周期, 其中单射弹周期＞100 mm间距并列射弹周期＞75 mm间距并列射弹周期。尾拍现象主要由射弹在空泡内发生上下沾水碰撞引起, 射弹沾水越明显, 发生尾拍频率越快。并列射弹间距越小, 在尾拍过程中沾水面积越大, 尾拍频率越快。而单射弹不受其影响, 尾拍周期最大。

3.3 流体动力特性

图12(a)为并列射弹自由减速入水过程中升力系数变化曲线, 射弹在入水过程中发生尾拍现象。在1个周期内, 射弹与上下空泡面分别沾水1次。对比入水初期升力系数峰值, 75 mm间距时并列射弹升力系数峰值最大, 单射弹峰值最小, 这主要与入水初期射弹随体空泡形态大小及沾水面积有关。75 mm间距的射弹受并列射弹影响发生明显沾水, 因此受到较大的升力作用。在入水稳定阶段, 并列射弹的升力系数几乎相同, 单射弹升力系数略高, 可能与单射弹空泡直径较小, 较容易沾水有关。

图12 并列射弹A升力系数及阻力系数随位移变化曲线

图12(b)为并列射弹在自由减速入水过程中阻力系数变化曲线。在1个尾拍周期内阻力出现2次峰值, 分别对应射弹与上下空泡面沾水时刻。计算射弹在稳定拍水阶段的平均阻力系数, 单射弹时为0.018 9, 100 mm间距时为0.024 9, 75 mm间距时为0.025 5, 其中75mm间距并列射弹阻力系数增加34.92%, 证明在并列射弹尾拍阶段, 75 mm间距并列射弹受到干扰最大, 100 mm间距干扰次之, 单射弹几乎不受干扰。

4 结束语

文中探讨了并列射弹自由减速入水过程中的流场特性、弹道特性和流体动力特性, 通过建立数值仿真计算模型, 运用数值模拟的方法分别对单发射弹和并列射弹自由减速入水过程进行仿真, 主要得到以下结论。

1) 并列射弹弹轴间距对射弹的流场分布和空泡形态产生明显影响, 弹轴间距越小, 射弹沾水越明显, 50 mm间距时并列射弹在入水初期沾水长度超过1/3弹长。

2) 并列射弹弹轴间距对并列射弹的弹道特性产生明显影响。50 mm间距时, 射弹发生倾覆现象, 偏离初始弹道, 弹道失稳, 其他仿真工况弹道稳定。

3) 并列射弹自由减速入水过程中的升力系数和平均阻力系数均高于单射弹入水过程, 且弹轴间距越小, 流体动力系数越大。

文中未尽之处在于对不同间距并列射弹研究过程中的仿真工况较少, 在后续研究过程中, 将会增加不同攻角、不同排布并列多射弹入水问题数值仿真, 同时把实验纳入研究范围, 得到研究并列射弹入水流体动力特性和弹道预报的准确方法, 服务于并列超空泡射弹的工程应用。

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Study on Ballistic Characteristics of the Parallel Supercavitating Projectiles

LIU Fu-qiang1, LUO Kai1, HUANG Chuang1, GU Jian-xiao1, DONG Xing-jie2, PU Han-ping3

(1. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 3. 63759thUnit, the People’s Liberation Army of China, Changchun 130051, China)

To investigate the effects of the spacing of parallel projectiles on the hydrodynamic properties and ballistic characteristics of the projectiles, a water-entry simulation model of projectiles is established on the bases of the volume of fluid(VOF) multiphase flow model, the multi-reference system, the dynamic grid and the mobile computing domain technology. The water-entry free-deceleration processes of single projectile and parallel projectiles are simulated for different spacing of the projectiles, respectively. The results show that: 1) in parallel launching condition, the projectile is subjected to lateral force, when there is an angle of attack, the cavity has obvious offset and is easier to be punctured by the projectile, and the smaller the parallel spacing, the longer the puncturing distance; 2) the drag coefficient of the parallel projectiles is significantly higher than that of the single projectile, and when the parallel spacing is 75 mm, the drag coefficient increases by 34.92%; and 3) the stability of the parallel projectiles is affected by the parallel spacing, and in the case that the parallel spacing is 50 mm, the parallel projectiles overturn with instable trajectories, but this effect gradually weakens as the parallel spacing increases, and the trajectories of the parallel projectiles become stable when the parallel spacing is 100 mm. This research may provide reference for engineering application of parallel supercavitating projectiles.

parallel supercavitating projectile; ballistic characteristics; fluid dynamics; numerical simulation

TJ630.2; U661.1

A

2096-3920(2020)02-0202-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.013

2019-08-22;

2019-09-24.

国家自然科学基金资助项目(51909218, 51679202); 陕西省自然科学基金资助项目(2019JQ-225); 西北工业大学研究生创意创新种子基金项目资助(ZZ2019066).

刘富强(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为超空泡射弹及水下航行器总体设计.

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.

(责任编辑: 杨力军)