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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 水下高速超空泡射彈試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其流場(chǎng)特性研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本發(fā)明公開了一種水下高速超空泡射彈試驗(yàn)系統(tǒng)。彈體通過(guò)高壓氣源所釋放氣體被驅(qū)動(dòng)、加速，并通過(guò)發(fā)射管發(fā)射進(jìn)入放有液體的水箱，當(dāng)試驗(yàn)彈體自上而下和自下而上地通過(guò)液體自由面時(shí)，產(chǎn)生了伴隨超空泡產(chǎn)生的入水和出水的流場(chǎng)。所產(chǎn)生的超空泡流具有較清晰的汽/液兩相流內(nèi)外邊界，配合使用各種光學(xué)儀器，就可以研究空泡內(nèi)氣體的平衡狀態(tài)、自由面與超空泡的相互作用、汽/液界面的不穩(wěn)定性、湍流邊界層的發(fā)展等復(fù)雜的流體動(dòng)行為過(guò)程。
- 詳細(xì)介紹：
- 超空泡主要分為自然超空泡和通氣超空泡兩種，前者依靠提高航行體的速度產(chǎn)生超空泡，后者依靠人工通氣增加空泡內(nèi)壓強(qiáng)生成超空泡。我國(guó)在高速物體出入水誘導(dǎo)產(chǎn)生自然超空泡的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究方面剛剛起步不久，相關(guān)的研究單位大多是在水洞中進(jìn)行，但由于多數(shù)水洞只能開展物體入水試驗(yàn)，且試驗(yàn)受弗魯?shù)聰?shù)Fr的影響較大，空泡變形較嚴(yán)重，難以準(zhǔn)確分析空泡的形態(tài)特性。從當(dāng)前公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料來(lái)看，我國(guó)對(duì)于高速，特別是跨音速的物體以垂直或近垂直角度出入水誘導(dǎo)產(chǎn)生超空泡方面的研究還很少涉及。造成上述現(xiàn)象的主要原因是目前還沒有出現(xiàn)能較好地實(shí)現(xiàn)伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器。美國(guó)人發(fā)明的超空化水下拋射體(US Patent 6405653),在物體的后端裝有一臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣在物體表面產(chǎn)生人工通氣氣泡。這種設(shè)備比較復(fù)雜，不適合在實(shí)驗(yàn)室普及使用；而且它一般只能維持水平運(yùn)動(dòng)，而無(wú)法完成兼顧出水和入水試驗(yàn)的任務(wù)。 本發(fā)明公開了一種水下高速超空泡射彈試驗(yàn)系統(tǒng)。包括高壓氣源、箱體支撐架、高速攝影儀、工控計(jì)算機(jī)、隔膜、安全截獲器、水箱、水箱蓋、平板、球閥、發(fā)射管、加強(qiáng)板、氣體導(dǎo)管、緊固板和發(fā)射管支撐架。彈體通過(guò)高壓氣源所釋放的氮?dú)饣蚝獗或?qū)動(dòng)、加速，并通過(guò)發(fā)射管發(fā)射進(jìn)入放有液體的水箱，當(dāng)試驗(yàn)彈體自上而下和自下而上地通過(guò)液體自由面時(shí)，產(chǎn)生了伴隨超空泡產(chǎn)生的入水和出水的流場(chǎng)。所產(chǎn)生的超空泡流具有較清晰的汽/液兩相流內(nèi)外邊界，再配合使用各種光學(xué)儀器和流場(chǎng)可視化儀器，就可以研究和了解空泡內(nèi)氣體的平衡狀態(tài)、自由面與超空泡的相互作用、汽/液界面的不穩(wěn)定性、湍流邊界層的發(fā)展等復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)行為過(guò)程。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 我國(guó)在高速物體出入水誘導(dǎo)產(chǎn)生自然超空泡的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究方面剛剛起步不久，相關(guān)的研究單位大多是在水洞中進(jìn)行，但由于多數(shù)水洞只能開展物體入水試驗(yàn)，且試驗(yàn)受弗魯?shù)聰?shù)Fr的影響較大，空泡變形較嚴(yán)重，難以準(zhǔn)確分析空泡的形態(tài)特性。從當(dāng)前公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料來(lái)看，我國(guó)對(duì)于高速，特別是跨音速的物體以垂直或近垂直角度出入水誘導(dǎo)產(chǎn)生超空泡方面的研究還很少涉及。造成上述現(xiàn)象的主要原因是目前還沒有出現(xiàn)能較好地實(shí)現(xiàn)伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器。 本發(fā)明公開了一種水下高速超空泡射彈試驗(yàn)系統(tǒng)。彈體通過(guò)高壓氣源所釋放的氮?dú)饣蚝獗或?qū)動(dòng)、加速，并通過(guò)發(fā)射管發(fā)射進(jìn)入放有液體的水箱，當(dāng)試驗(yàn)彈體自上而下和自下而上地通過(guò)液體自由面時(shí)，產(chǎn)生了伴隨超空泡產(chǎn)生的入水和出水的流場(chǎng)。所產(chǎn)生的超空泡流具有較清晰的汽/液兩相流內(nèi)外邊界。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 我國(guó)在高速物體出入水誘導(dǎo)產(chǎn)生自然超空泡的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究方面剛剛起步不久，相關(guān)的研究單位大多是在水洞中進(jìn)行，但由于多數(shù)水洞只能開展物體入水試驗(yàn)，且試驗(yàn)受弗魯?shù)聰?shù)Fr的影響較大，空泡變形較嚴(yán)重，難以準(zhǔn)確分析空泡的形態(tài)特性。從當(dāng)前公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料來(lái)看，我國(guó)對(duì)于高速，特別是跨音速的物體以垂直或近垂直角度出入水誘導(dǎo)產(chǎn)生超空泡方面的研究還很少涉及。造成上述現(xiàn)象的主要原因是目前還沒有出現(xiàn)能較好地實(shí)現(xiàn)伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器。美國(guó)人發(fā)明的超空化水下拋射體(US Patent 6405653),在物體的后端裝有一臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣在物體表面產(chǎn)生人工通氣氣泡。這種設(shè)備比較復(fù)雜，不適合在實(shí)驗(yàn)室普及使用；而且它一般只能維持水平運(yùn)動(dòng)，而無(wú)法完成兼顧出水和入水試驗(yàn)的任務(wù)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年浙江理工大學(xué)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽二等獎(jiǎng) 2011年浙江省第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 圖片、圖紙
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本項(xiàng)目研制開發(fā)出的水下高速射彈試驗(yàn)系統(tǒng)及其流場(chǎng)可視化呈像方法，以此來(lái)研究刻畫水中超空泡定常流動(dòng)及當(dāng)物體在入水和出水時(shí)的自由面附近超空泡的生成、崩潰對(duì)物體的受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，同時(shí)研究物體長(zhǎng)徑比對(duì)超空泡形狀的影響、鈍體的阻力系數(shù)、自由面與超空泡的相互作用、氣/液界面的不穩(wěn)定性、湍流邊界層的發(fā)展等。本研究結(jié)果將為超空泡的數(shù)值計(jì)算和在水下超高速范圍內(nèi)的相關(guān)研究奠定夯實(shí)基礎(chǔ)，為開創(chuàng)我國(guó)超空泡技術(shù)研究的新局面發(fā)揮積極、關(guān)鍵的作用。 本試驗(yàn)系統(tǒng)作為一套“性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)合理，測(cè)試精準(zhǔn)”的水下高速射彈綜合測(cè)試研究系統(tǒng)，將一舉填補(bǔ)當(dāng)前我國(guó)在超空泡研究領(lǐng)域內(nèi)缺乏有效實(shí)用的綜合試驗(yàn)研究系統(tǒng)的空白，同時(shí)擬研究開發(fā)的試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)將作為一種先進(jìn)測(cè)試技術(shù)，專門用于測(cè)量具有“精密、微觀、瞬態(tài)、高速、復(fù)雜、多變”等特點(diǎn)的超空泡流相關(guān)物理參數(shù)，這必將開拓和促進(jìn)空泡物理相關(guān)研究的深入進(jìn)行，有助于水力空化技術(shù)和水下航行體減阻技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用。
同類課題研究水平概述
- 烏克蘭和俄羅斯的研究人員通過(guò)大量的試驗(yàn)，獲得了不同模型和空化器下超空泡的形態(tài)、通氣及穩(wěn)定性規(guī)律，設(shè)計(jì)出一系列可以調(diào)節(jié)升力和阻力系數(shù)值的不同類型的空化器；試驗(yàn)還得到了30-140 m/s下自然及通氣超空泡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)40-1300 m/s速度下的高速射彈實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出軸對(duì)稱超空泡形態(tài)和尺寸的計(jì)算公式等。 1994年10月在雅典防務(wù)展覽會(huì)上，俄羅斯展示了“疾風(fēng)”超空泡射彈樣品。同樣，在1995年3月阿布扎比國(guó)際防務(wù)展覽會(huì)上也陳列了該樣品，不僅可以高速攻擊敵方潛艇，而且能夠反擊敵方發(fā)射的魚雷武器，是目前已知唯一的定型并裝備部隊(duì)的武器，并已經(jīng)向少數(shù)國(guó)家出售，如印度和法國(guó)等。據(jù)傳俄羅斯目前正在研究帶自導(dǎo)和更高速的水下導(dǎo)彈，以及超空泡高速潛艇。 美國(guó)從20世紀(jì)50年代開始高速推進(jìn)器和水翼方面的超空泡研究，目前主要致力于發(fā)展超空泡高速射彈和超空泡魚雷兩類超空泡武器，其中機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)(RAMICS)已于1995年研制成功，該系統(tǒng)用20mm的超空泡射彈，可穿透水下15m處的水雷。 早在第二次世界大戰(zhàn)期間德國(guó)就開始了超空泡的理論與實(shí)踐研究。20世紀(jì)70年代后，德國(guó)主要進(jìn)行了超空泡射彈和火箭的研究，獲得了火箭的穩(wěn)定的水下彈道，對(duì)多種不同的氣體發(fā)生器進(jìn)行了試驗(yàn)，并開發(fā)了適于超空泡航行體的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等。除此之外，80年代初，德國(guó)還研究了超空泡水下導(dǎo)向射彈在運(yùn)動(dòng)中的性能，在射彈上配置慣性測(cè)量裝置，為控制此類射彈打下基礎(chǔ)。 此外，英國(guó)、法國(guó)等其他西方國(guó)家目前雖然還沒有研制出實(shí)戰(zhàn)或試驗(yàn)型超空泡武器，但是都投入了極大精力開展超空泡武器的探索和研究。 我國(guó)在空蝕與超空泡方面的研究起步較晚，2000年俄羅斯發(fā)生了“庫(kù)爾斯克號(hào)”潛艇爆炸沉沒事故，國(guó)人才從中知道了還存在一種被稱為高速超空泡魚雷的航空母艦“殺手锏”兵器，我國(guó)這才真正開始了在方面的實(shí)質(zhì)性系統(tǒng)研究。與國(guó)外尤其是與美國(guó)和俄羅斯的在空蝕及超空泡方面的研究相比，我國(guó)的研究基礎(chǔ)還比較薄弱，其中空蝕的研究結(jié)果還不是很多，超空泡的研究結(jié)果就更少，而對(duì)超高速空泡航行體流動(dòng)特性和機(jī)理的研究基本上還是處在起步階段。在理論上，我國(guó)學(xué)者還沒有達(dá)到能夠提出新的超空泡計(jì)算公式的程度；在實(shí)驗(yàn)上，現(xiàn)階段在我國(guó)也似乎還沒出現(xiàn)可以與美俄在這方面相媲美的實(shí)驗(yàn)手段與方法。
