非回转体航行器高速斜入水过程研究.pdf
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1、 年 月第 卷第 期西 北 工 业 大 学 学 报 :收稿日期:基金项目:水下信息与控制重点实验室开放研究项目()与中央高校基本科研业务费()资助作者简介:杨恺昕(),西北工业大学硕士研究生,主要从事跨介质航行器研究。通信作者:黄闯(),西北工业大学副研究员,主要从事超空泡航行器研究。:非回转体航行器高速斜入水过程研究杨恺昕,罗凯,黄闯,李代金,王谦,古鉴霄,李永丰(西北工业大学 航海学院,陕西 西安)摘 要:非回转体跨介质航行器能够更好适应空中高超声速飞行工况,但是在入水过程中的流体动力特性及运动稳定性存在新的问题。采用 多相流模型、湍流模型、空化模型,结合重叠网格技术,建立了非回转体入水过
2、程运动与多相流场耦合的仿真方法,验证了所建模型的准确性,对横截面短长轴之比不同的航行器开展了斜入水过程仿真计算。结果表明:横截面短长轴之比虽然不会改变空泡形态,但是通过影响泡体相对位置关系对航行器的流体动力特性和运动特性都有影响;随着短长轴之比的减小,航行器的运动稳定性逐渐增加;但短长轴之比过小,则会影响减阻效果,并对结构安全性不利。关 键 词:非回转体航行器;高速入水;数值模拟;重叠网格中图分类号:文献标志码:文章编号:()跨介质航行器能够顺利跨越空水界面,同时具备导弹武器高速远程和鱼雷武器隐蔽性好的优势,是对抗大型水面舰船的杀手锏。为了追求空中弹道良好的气动性能,跨介质航行器一般不采用传统
3、水中兵器的回转体外形,更倾向于采用适合高超声速飞行的外形。这种非回转体的航行器在入水及水下运动过程中表现出的流体动力特性和运动特性较回转体外形有很大不同。随着跨介质航行器相关研究的不断深入,具有非回转体外形的航行器在跨越自由液面时的运动及受力问题逐渐受到关注。跨介质航行器的研究始于 世纪 年代,苏联最早提出了跨介质航行器的概念,但相关研究由于技术受限而搁浅。世纪后,随着大型舰艇防御体系的日趋完备,导弹从空中突防的难度增大,而水下超空泡武器作战范围有限,于是跨介质航行器的突防优势逐渐凸显,引发各国进一步开展研究。以麻省理工学院的 实验室为代表的研究机构围绕仿生跨介质飞行器开展了大量研究,实现了空
4、 水介质跨越。近年来高超声速飞行器研究表明,高升阻比气动布局形式主要包括翼身组合体、翼身融合体、升力体以及乘波体等非回转体外形,而跨介质航行器由于具有较长的空中弹道,故倾向于采用上述面对称外形以获得更好的气动性能。跨介质航行器的介质跨越问题始终是制约其发展的瓶颈,其入水过程涉及复杂的相变过程,流场、流体动力和弹道表现出强烈的瞬态特性,国内外对入水问题已展开了大量研究并取得一系列成果。等用闪光照相机对小球垂直入水过程进行了试验研究,获得了入水空泡图片。等研究了球体和射弹入水时的流体动力特性。侯宇等通过试验研究了射弹高速入水过程中空泡形态的变化以及空泡对弹道的影响。袁绪龙等开展了模型实验,利用高速
5、摄像机拍摄了回转体入水过程的空泡形态演变,分析了头型、入水角度和入水速度对水下弹道的影响。郭子涛等开展了水平回转体入水实验,研究了回转体入水过程的弹道稳定性和空泡拓展特性。黄鸿鑫等研究了回转体射弹的头部形状和质心位置对高速入水稳定性的影响。马庆鹏等研究了带有不同角度锥西 北 工 业 大 学 学 报第 卷头圆柱体高速入水时的流场特性和运动特性。胡青青讨了 种头型、种长径比射弹高速入水时的稳定性和空泡形态,并分析了其对入水过程的影响。唐楚淳等对非轴对称头型弹体的入水弹道特性开展了弹丸低速垂直入水实验研究。华扬等通过高速摄影法对不同构型的非对称头型航行器低速入水时的入水弹道和空泡形态开展了实验研究。
6、关于入水问题的研究主要集中在回转体方面,关于非回转体的研究则是主要以空投鱼雷、水下飞机等为应用背景开展的,入水速度一般较低。随着高速跨介质航行器研究逐渐深入,非回转体外形在高速斜入水过程中的载荷和运动特性问题亟需解决。然而,从公开发表的文献来看,围绕非回转体外形开展的高速入水研究鲜见。为解决非回转体高速入水问题,本文采用数值仿真方法,建立了非回转体航行器高速斜入水模型,研究了非回转体外形对航行器入水过程中空泡形态、流体动力和弹道特性的影响,研究结果可为跨介质航行器的设计提供依据。非回转体航行器高速入水数值模型 研究对象本文以某非回转体跨介质航行器为研究对象,为了适应空中飞行工况,采用具有椭圆截
7、面的外形。几何结构如图 所示,航行器由空化器段、收缩段和柱段组成。图 非回转体航行器外形示意图航行器总长为,头部空化器直径为,空化器锥角为。通过等比缩小回转体航行器收缩段和圆柱段截面在航行器立轴方向上的尺寸,可以得到一系列横截面为椭圆形的非回转体航行器。若截面椭圆的长轴长度为,短轴长度为,则短轴与长轴之比为 ,记为。对同一个航行器,其收缩段和柱段上各截面的 是相同的。参考某跨介质航行器的入水工况,在入水角为、初速度为 的典型入水工况下,对不同截面形状(值分别取,)的非回转体航行器入水过程进行数值仿真,研究其空泡演化规律、流体动力特性和弹道特性,选择回转体模型()作为对照组。数值模型非回转体跨介
8、质航行器入水过程是一个典型的存在清晰界面的非定常多相流问题,其中还涉及自然空化问题。本文基于商用流场仿真软件平台,采用 多相流模型、湍流模型、空化模型和重叠网格技术进行数值仿真。)多相流模型航行器高速入水过程涉及空气、水、水蒸气三相,属于非定常多相流问题。基于均质多相流理论,本文采用 模型建立数值模型。模型要求在每个控制体中,所有相的体积分数之和为,即各相体积分数满足关系式 ()式中,表示液相、气相及水蒸气相的体积分数。混合介质的连续性方程为()()式中,下同。动量守恒方程为()()()()()()式中:为速度分量;和 表达式分别为 ()()对于 多相流模型,空气相体积分数的输运方程为()()
9、湍流模型航行器高速入水过程中流场变化剧烈、雷诺数大、水气大量掺混,为了精准模拟流动参数分布和航行器的流体动力特性,需要对湍流进行建模求解。湍流模型是一种雷诺时均的湍流模第 期杨恺昕,等:非回转体航行器高速斜入水过程研究型,具有较高的精度和数值稳定性,在涉及多相耦合、非定常问题的流场模拟中表现稳健,可用于解决本文所研究的问题。该模型输运方程为()()()()()()式中:,;为速度梯度引起的湍流动能;为浮力引起的湍动能;为可压缩湍流脉动膨胀对耗散率的影响,对于不可压缩流动该项为;为湍流黏性系数;湍流模型中是平均应变率与旋度的函数,在平衡边界层惯性底层;模型常数 ;。)空化模型在高速入水过程伴随着
10、自然空化现象,空化对流场特性有着显著的影响。空化模型具有形式简单、计算效率高、数值稳定性强的特点,故以该模型模拟入水过程中的空化现象,其对相间质量传递的描述如下(),(),()()式中:为蒸发率;为凝结率;为水蒸气相体积分数;为单位体积;为气泡半径。)重叠网格技术入水问题涉及到物体的大幅度运动,需要把运动与流场耦合求解。重叠网格的优势在于可以实现物体的大幅度运动,在运动过程中网格不会发生变形,且可以清晰显示自由液面,所以采用重叠网格技术将航行器自由运动与非定常多相流动耦合起来。重叠网格原理如图 所示,计算域网格分为背景网格区域和重叠网格区域,各网格区域在空间上重叠,但相互独立存在。背景网格随地
11、面坐标系保持不动,重叠区域可以随雷体坐标系在背景网格内部进行移动,利用重叠部分的网格以一定的插值形式进行流场信息交互,最终实现全流场计算。图 重叠网格原理示意图 边界条件与网格划分图 展示了背景计算域尺寸及其边界条件。背景计算域关于 平面对称,长,宽,高,水深,空气域,重力沿轴负向。初始时刻航行器轴线与水平面夹角为,航行体初速度为 。计算域左侧边界为速度入口,前后边界为对称平面,上、下、右侧边界为压力出口,压强设置为随水深变化的压强。图 背景计算域选取和边界条件设置示意图入水点、前驻点、空化器等流动参数变化剧烈的区域全部位于重叠区域内,因此重叠区域网格较密,合理选择重叠区域范围能够提高对流场的
12、模拟精度。经对比分析,最终确定重叠区域范围如图 所示,其长,宽,高,其中航行器头部距右边界。航行器位于重叠区域右视图中央,其椭圆截面的短轴与 平面(铅垂面)重合。图 重叠计算域示意图西 北 工 业 大 学 学 报第 卷采用切割体网格划分策略,并在近壁面处添加棱柱层网格进行细化,以期获得更精准的湍流模拟结果。在航行体头部、尾部附近流场设置加密区,并根据理论计算公式所得的空泡轮廓对两相交界区域进行周向加密,以获得更好的流场界面。网格划分结果如图 所示。图 网格划分结果 数值方法验证)与试验对比为了验证数值计算的可靠性,采用所建立的数值方法,对文献中的试验工况开展仿真计算。首先对文献的平头圆柱垂直入
13、水试验进行数值模拟计算,试验采用的平头圆柱长 ,直径为,质量为 ,初速度为 ,仿真计算结果与试验结果对比如图 所示。图 垂直入水数值模拟与试验结果对比对陈晨等人的小型运动体斜入水试验进行数值模拟计算,试验所用模型空化器直径为,弹身直径,质量,初速度 ,入水角为,仿真计算结果与试验结果对比如图 所示。图 斜入水数值模拟与试验结果对比可以看出,数值计算结果与试验结果相比有较好的一致性,说明数值计算方法是可信的。)结果无关性验证为保证仿真结果独立性,在入水速度 、入水角 的工况下,使用相同的数值模型进行计算,分别进行网格无关性验证和时间步长无关性验证。在最小时间步长为 的条件下,选取不同的网格数进行
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