压缩性效应
飞行术语
流体力学中,流体随压强的增大而体积缩小的性质,称为流体的压缩性。
定义与原理
在流体力学中,流体随压强的增大而体积缩小的性质,称为流体的压缩性。
流体的可压缩性是指流体受压,体积缩小,密度增大,除去外力后能恢复原状的性质。可压缩性实际上是流体的弹性。液体在通常的压力或温度下,压缩性很小。例如水在100个大气压下(1大气压=101 325帕),容积缩小0.5%;温度从20℃变化到100℃,容积降低4%。但在某些特殊问题中(例如水下爆炸或水击),则必须把液体看作是可压缩的。
气体的压缩性比液体大很多,所以在一般情形下应当作可压缩流体处理,但如果压力差较小,运动速度较小,且无很大的温度差,也可近似地将气体视为不可压缩的。
气体流速变化时,会引起气体的压强和密度发生变化。在低速气流中,由于气流速度变化而引起的气体密度的相对变化量很小,可以把气体看作不可压缩流体来处理;高速气流压缩性的影响不能忽略,必须按可压流体来处理。
应用场合
细长体大迎角压缩性效应
现代空战攻防对抗对飞行武器大迎角机动性和敏捷性的要求越来越高。大迎角情况下,具有细长前体构型的模型将产生明显的非对称涡系流动。然而大迎角流动十分复杂,对各种影响因素都极其敏感,这种非对称涡可出现于低速和高速(有压缩性影响)范围。由于在低速范围非对称涡产生的非对称侧力系数和偏航力矩系数显得比较大,再加上低速研究条件比较充足一些,所需研究成本也低一些,因此,以前研究大多数集中于低速。目前在国内尚未看到针对“压缩性对非对称涡影响”这个研究题目在高速风洞中的试验研究成果,仅进行了一些数值计算。但是,以前有限的亚音速研究结果表明高速非对称涡现象比低速复杂的多。且飞行武器也常常在高速飞行时碰到这种非对称涡的问题,尤其是战术导弹等飞行器大部分机动飞行先出现在高速范围。因此,空气动力学科的发展和现代化飞行器的研制都急需进行高速非对称涡现象研究,系统研究大迎角流动特性的压缩性影响,对我国独立自主研发先进高机动飞行武器具有重要战略意义和价值。
贺中介绍了在中国空气动力研究与发展中心高速所0. 6m亚跨超声速风洞中进行的细长旋成体大迎角压缩性效应研究试验,该研究是根据“大迎角非线性非定常气动力与高速风洞试验技术研究”课题的研究计划安排而提出的。
得到以下结论:
(1)高速时的细长旋成体的大迎角背风涡结构可能仍然类似于低速情况下的非对称多涡系结构;
(2)压缩性效应对大迎角流动非对称性的产生和发展过程不产生本质影响,只影响非对称的强弱和发展速度;
(3)以Mc= 0.4为临界点,可以把压缩性对细长体大迎角非对称流动的影响分成两个区间;
(4)压缩性效应和Re数效应均对流动非对称性产生影响,研究压缩性效应必须考虑Re数效应。
高速射弹超空泡现象
利用超空泡现象可以大幅度减小水下运动物体的摩擦阻力,从而大大提高其航行速度。基于超空泡原理的高速射弹,利用其弹道末端的剩余动能可拦截鱼雷、击毁水雷和破除水下障碍等。20世纪末,在美国,机载快速灭雷系统(RAMICS)已经装备部队,超空泡射弹水下速度超过 1000 m/s。Y.D.Vlasenko、Y.N.Savchenko、I.N.Kirschner开 展 的 超 空 泡 射 弹 实 验 水 下 运 动 速 度 分 别 达 到1300、1350和1549m/s,已超过了水中声速1450m/s。目前,超空泡射弹还在进一步向高速方向发展。在不考虑流体的压缩性效应时,Y.S.Chou、S.S.Kulkarni等、K.Ohtani等对射弹超空泡流动和弹体运动特性进行了计算。由于射弹高速冲击导致的流体压缩性效应不容忽视,A.N.Vargh-ese等、A.D.Vasin、V.V.Serebryakov等基于细长体理论和渐近匹配展开法对超空泡形态影响的可压缩效应进行了理论研究,张志宏等进一步拓展得到了亚、超声速条件下细长锥形射弹的超空泡形态二阶近似解,金永刚等、张志宏等建立了高速射弹超空泡流场的数值计算方法。
超声速超空泡射弹发射后在水下依靠惯性无动力飞行,其速度从超声速逐渐减至亚声速,期间需要经历压缩性效应显著的跨声速阶段。另外,超空泡射弹还需在变水深条件下运动,水深变化引起的重力效应(环境压力和空泡数的变化)也不容忽视。因而,需要综合分析流体压缩性和重力效应对高速射弹超空泡形态和流体动力特性的影响。孟庆昌针对高速细长锥形超空泡射弹的实际应用背景,综合计及流体的重力和压缩性效应影响,统一建立亚、超声速条件下超空泡流动的理论模型和数值计算方法,系统完整地解决高速射弹的超空泡形态、射弹表面压力分布和压差阻力系数等计算问题,拟为下一步超空泡射弹的弹型优化设计和水下弹道预报提供理论基础。
参考资料
最新修订时间:2022-10-24 09:19
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定义与原理
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