基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

摘要

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行,是对抗水下近距离威胁的有效手段.为了扩大防御范围、增加杀伤力,超空泡射弹具有很高的发射速度.高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷,发生显著的结构变形,结构变形与流场之间存在相互影响和作用,常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用.为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响,通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器,建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型,并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性.使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究,通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果,得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响.研究结果表明:高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响;本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应,带攻角垂直入水两倍弹长的范围内,超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈;高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大,研究对象在初速1400 m/s的条件下入水时,当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.