مدل سازی عددی ورود به آب مایل یک پرتابه‌ی پر سرعت استوانه‌ای و بررسی اثر حرکت چرخش محوری بر رفتار دینامیکی آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مجتمع مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 مجتمع هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 مجتمع مکانیک،دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

از میان انواع پرتابه‌های هوا به زیرسطح، پرتابه‌های چرخش پایدار حائز مزیت‌های اقتصادی و عملیاتی است. برقراری پایداری حرکت اتمسفری پرتابه‌های چرخش پایدار، با اثر ژیروسکوپیک ناشی از اسپین پرتابه امکان پذیر است. در هر حال از منظر طراحی حفظ پایداری حرکتی پرتابه در درون کویتی با چالش اساسی مواجه است. بنابراین بررسی نحوه‌ی تاثیرگذاری پارامترهای موثر بر دینامیک پرتابه در زیرسطح، حائز اهمیت خواهد بود. مطالعه آزمایشگاهی دینامیک پرتابه در زیرسطح، نیازمند بستر تجهیزاتی بسیار دقیق و گران قیمت می‌باشد. بنابراین رهیافت عددی موضوع، می‌تواند کمک شایانی به روند طراحی چنین پرتابه‌هایی نماید. این پژوهش در ابتدا مدل عددی ورود به آب مایل پر سرعت، یک پرتابه‌ی سوپر کاویتاسوینی را ارائه نموده است. نتایج مدل‌سازی عددی با نتایج آزمایشگاهی موجود در ادبیات راستی آزمایی شده است و نتایج در تطابق مطلوب قرار دارد. در ادامه، ورود به آب مایل یک پرتابه در دو وضعیت دارای اسپین و بدون وجود اسپین، شبیه سازی گردید و نتایج با هم مقایسه شد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد، در فرآیند ورود به آب مایل، وجود حرکت چرخش محوری، تاثیر بسزایی بر رفتار دینامیکی و سینماتیکی پرتابه‌ی استوانه‌ای نخواهد داشت. بنابراین نتایج این پژوهش نشان داد، در فرآیند ورود به آب مایل پرتابه‌های چرخش پایدار سوپرکاویتاسیونی، با تقریب دقیقی فرض حرکت صفحه‌ای پرتابه برقرار است. لازم به ذکر است، اثبات این فرضیه سبب می‌شود ساده‌سازی‌های قابل توجهی در مدل‌سازی‌های آزمایشگاهی و عددی مسائل آتی روی دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of high-speed oblique water entry of a cylindrical projectile and investigation of the projectile circular motion (Spin) on the water entry dynamics

نویسندگان [English]

  • Mohammad amin Akbari 1
  • Jalal Mohammadi 2
  • Jalil Fereidooni 3
1 Faculty of Mechanics, Malek Ashtar University of Technology
2 Faculty of Aerospace, Malek Ashtar Universityof Technology, Iran
3 Faculty of Mechanics, Malek Ashtar University of Technology
چکیده [English]

Among the air-to-water projectiles, the gyroscopic stabilizes ones, have economic and operational advantages over other types. The air stability of such projectiles can be achieved with the gyroscopic effect of the spin. However, maintaining stability of the projectile inside the cavity, is a challenging effect from design and practical point of view. Therefore, it will be important to figure out parameters which effects on the underwater projectile stability. It should be noted that experimental study of the underwater projectile dynamics requires a very precise and expensive equipment. Hence, the numerical approach can be used in the design process. The first section of the study, proposed a dynamic model of an air-to-water supercavitating cylindrical projectile. The 6DOF dynamics of the projectile investigated using the Star-CCM+ commercial code. The model's ability to simulate the water entry physical phenomena validated via within literature experimental results and both are in good agreement. Then, the water entry of the projectile was simulated in two situations of having spin and without spinning dynamic, and the results were compared. The results of this study show that, in the oblique water entry process, the existence of circular motion will not have a significant effect on the dynamic and kinematic behavior of the cylindrical projectile. This research proves that, the high-speed oblique water entry dynamics of a supercavitating projectile can well approximated with planar motion in the x-y plate. Proof of this assumption can lead to significant simplifications in laboratory and numerical modeling of such dynamics in the future.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Oblique water entry
  • Supercavitating projectile
  • Circular Motion
  • Spin
[1] Truscott TT, Epps BP, Belden J. Water entry of projectiles. Annual Review of Fluid Mechanics. 2014;46:355-78.
[3] Hou Z, Sun T, Quan X, Zhang G, Sun Z, Zong Z. Large eddy simulation and experimental investigation on the cavity dynamics and vortex evolution for oblique water entry of a cylinder. Applied Ocean Research. 2018;81:76-92.
[4] Mirzaei M, Alishahi MM, Eghtesad M. High-speed underwater projectiles modeling: a new empirical approach. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2015;37(2):613-26.
[5] Knapp R, Daily W, Hammitt F. Cavitation. New York: McGraw-Hill ;1970.
[6] Truscott TT. Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles. 2009 May 21.
[7]  Availabe from: https://www. en.wikipedia.org/wiki/Armour-piercing_fin-stabilized_discarding_sabot
[8]  Availabe from: www.dsg.com.MEA
[9] Kulkarni SS, Pratap R. Studies on the Dynamics of a Supercavitating Projectile. Applied Mathematical Modelling. 2000;24(2):113-29.
[10] Gilbarg D, Anderson RA. Influence of atmospheric pressure on the phenomena accompanying the entry of spheres into water. Journal of Applied Physics. 1948;19(2):127-39.
[11] Weiland C, Vlachos PP. Time-scale for critical growth of partial and supercavitation development over impulsively translating projectiles. International Journal of Multiphase Flow. 2012;38(1):73-86.
[12] Shi HH, Itoh M, Takami T. Optical observation of the supercavitation induced by high-speed water entry. Journal of fluids engineering. 2000;122(4):806-10.
[13] Guo ZT, Zhang W, Wang C. Experimental and theoretical study on the high-speed horizontal water entry behaviors of cylindrical projectiles. Journal of Hydrodynamics. 2012 Apr;24(2):217-25.
[14] Zhao C, Wang C, Wei Y, Zhang X, Sun T. Experimental study on oblique water entry of projectiles. Modern Physics Letters B. 2016;30(28):1650348.
[15] Wei Z, Hu C. Experimental study on water entry of circular cylinders with inclined angles. Journal of Marine Science and Technology. 2015;20(4):722-38.
[16] Truscott T, Techet A, Beal D. Shallow angle water entry of ballistic projectiles. Proceedings of the 7th International Symposium on Cavitation; 2009 Aug 17-22; Michigan, USA.
[17] Rabiee A, Alishahi M, Emdad H, Saranjam B. Experimental investigation of bounce phenomenon. Scientia Iranica. 2011;18(3):416-22.
[18] Chen T, Huang W, Zhang W, Qi Y, Guo Z. Experimental investigation on trajectory stability of high-speed water entry projectiles. Ocean Engineering. 2019;175:16-24.
[19] Iranmanesh A, Passandideh-Fard M. A three-dimensional numerical approach on water entry of a horizontal circular cylinder using the volume of fluid technique. Ocean Engineering. 2017;130:557-66.
[20] Jiang CX, Shuai ZJ, Zhang XY, Li WY, Li FC. Numerical study on the transient behavior of water-entry supercavitating flow around a cylindrical projectile influenced by turbulent drag-reducing additives. Applied thermal engineering. 2016 Jul 5;104:450-60.
[21] Qi D, Feng J, Xu B, Zhang J, Li Y. Investigation of water entry impact forces on airborne-launched AUVs. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2016;10(1):473-84.
[22] Chen C, Yuan X, Liu X, Dang J. Experimental and numerical study on the oblique water-entry impact of a cavitating vehicle with a disk cavitator. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2019;11(1):482-94.
[23] Yuan X, Chen C, Wang Y, Liu X, editors. On the cavity pressure during the water-entry of a supercavitating vehicle. OCEANS; 2017; Anchorage, USA. IEEE;2017. Avalable from: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8232310&isnumber=8232037
[24] Aus der Wiesche S. Numerical simulation of cavitation effects behind obstacles and in an automotive fuel jet pump. Heat and mass transfer. 2005;41(7):615-24.
[25] Passandideh-Fard M, Roohi E. Transient simulations of cavitating flows using a modified volume-of-fluid (VOF) technique. International Journal of Computational Fluid Dynamics. 2008;22(1-2):97-114.
[26] Hirt CW, Nichols BD. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of computational physics. 1981;39(1):201-25.
[27] Schnerr GH, Sauer J, editors. Physical and numerical modeling of unsteady cavitation dynamics. Fourth international conference on multiphase flow; 2001 May27- June1 ; New Orleans, USA.
[28] Johannessen SR. Use of CFD to Study Hydrodynamic Loads on Free-Fall Lifeboats in the Impact Phase: A verification and validation study. Institutt for marin teknikk; 2012.
 [29] Epshtein LA, Laptin VM. Approximate calculation of influence of flow boundaries on cavity length in two dimensional problem and past the axisymmetric body. Trudy Tsagi. 1980;2060:3-24.
[30] اکبری محمد امین، محمدی جلال، فریدونی جلیل. تجزیه و تحلیل رفتار دینامیکی پرتابه پرسرعت سوپرکاویتاسیون، مبتنی بر داده‌های یک پژوهش آزمایشگاهی. مکانیک سازه ها و شاره ها. 2019;9(1):279-91.
[31] McCoy R. Modern exterior ballistics: The launch and flight dynamics of symmetric projectiles. Schiffer Pub; 1999.