水下射彈自然超空化流動特性研究

水下射彈自然超空化流動特性研究

0超空泡減阻技術(shù)超空泡沫武器是20世紀(jì)末出現(xiàn)的一種高速水下武器。水下航行體在超空泡流動模式下,航行體表面的絕大部分只與空泡內(nèi)水蒸氣接觸,由于水蒸氣的運動粘性系數(shù)要比水的運動粘性系數(shù)低1～2個數(shù)量級,因此可實現(xiàn)大幅度減阻,大大提高航行體的運動速度和距離。隨著俄羅斯超空泡魚雷“疾風(fēng)”的問世,超空泡減阻技術(shù)已經(jīng)對海戰(zhàn)武器的研制產(chǎn)生巨大影響。目前,美、德、英、法等國都在進行超空泡減阻技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究,力爭盡早研究出高速超空泡武器,掌握未來海上戰(zhàn)爭的主動權(quán)。超空泡主要分為通氣超空泡和自然超空泡2種,前者依靠人工通氣增加空泡內(nèi)壓強生成超空泡,后者是航行體在水下高速運動時能夠自身形成超空泡?？栈鞯男螤詈艽蟪潭壬蠜Q定了超空泡武器產(chǎn)生空泡的難易程度,以及所產(chǎn)生的空泡形態(tài)。長期以來,國內(nèi)外學(xué)者對空化器作了大量的實驗研究,從而提出了許多不同形狀的空化器,如圓盤、圓錐、齒輪狀圓臺、有刻面的凹孔以及圓形套筒等。美國海軍水下戰(zhàn)中心(NUWC)嘗試了大量形狀各異的空化器,最終歸結(jié)為2種設(shè)計方案:圓錐體頭部方案和圓盤頭部方案。本文利用Fluent軟件,分析了帶圓盤與圓錐空化器頭部2種水下高速射彈模型所產(chǎn)生自然超空泡的形態(tài)特性,采用非定長求解器,通過自定義函數(shù)對水下高速圓盤空化器頭部射彈空泡流發(fā)展過程進行了數(shù)值仿真研究。1數(shù)學(xué)模型1.1密度分散系數(shù)的求解在Fluent軟件中,采用基于Rayleigh-Plesset方程的氣泡兩相流模型來模擬水下航行體的空泡流動,將水/汽兩相混合流作為密度可變的單一流體來處理,混合流之間不存在分界面,整個混合物允許相互對流,對混合物的連續(xù)方程和動量方程進行求解?；旌舷嗟倪B續(xù)方程:其中,ρm=αvρv+(1-αv)ρl為混合相的混合密度;αv,1-αv分別為汽相和液相所占的體積分數(shù);ρv,ρl分別為汽相和液相的密度;vm為質(zhì)量平均速度;為由于空化等原因引起的質(zhì)量輸運?；旌舷嗟膭恿糠匠?式中:μm為混合相的粘度;g為重力加速度。汽相的體積比方程(空泡模型):其中:?為單個空泡的體積,隨時間和空間而變化,為氣泡半徑。定義蒸汽的體積分數(shù)αv=n?/(1+n?);n為流體體積單元內(nèi)的空泡個數(shù)?？张莸呐蛎浐褪湛s由Rayleigh-Plesset方程給出,該方程把壓力與空泡的體積聯(lián)系在一起,見下式:。(4)式中:pB為空泡內(nèi)的壓力;σr為表面張力系數(shù)。1.2u3000平均速度梯度水下射彈空泡流動模擬引入了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε混合湍流模型:。(5)式中:μt為湍流粘度,;Gk為由平均速度梯度引起的湍流動能,Gk=2μtue84aSymbolQCpv;σk,σε分別為k和ε的Prandtl數(shù),模型中的各常數(shù)取值:σ1ε=1.44,σ2ε=1.92,cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。采用非平衡壁函數(shù)(Non-EquilibriumWallFunctions)處理近壁區(qū)域。2數(shù)值模擬方法與計算結(jié)果分析2.1流場的數(shù)值計算圖1為水下高速帶圓錐空化器和圓盤空化器頭部射彈模型.圓錐空化器錐角120°,空化器直徑Dn=2.8mm,全彈長LB=240mm,彈頭部長Ln=220mm,圓柱部長Ld=20mm,彈體直徑Dm=30mm,計算條件為水深H=10m,航行初速v0=500m/s。由于彈體為二維軸對稱模型,對于零攻角空泡流的數(shù)值模擬,流場可做對稱性假設(shè),采用二維軸對稱定常求解器進行計算,計算域可選實際流場的一半,流場的外邊界為150mm×3600mm。入口邊界采用速度入口,出口邊界給定壓強,結(jié)合給定的湍流參數(shù)求解一個相間無滑流速度的均勻多相流問題。對于上述計算模型采用有限體積法求解,空間離散采用二階逆風(fēng)差分格式,壓力與速度之間的耦合求解采用SIMPLE算法。2.2盤空化器模型仿真流體力學(xué)中用空化數(shù)表征空化特性,其中p為外壓,pc為空泡內(nèi)壓,對于自然超空泡,空泡內(nèi)壓力可以近似認為等于水的飽和蒸汽壓力pc=2350Pa,ρ為水的密度,v為物體速度。自然超空泡基本形態(tài)為回轉(zhuǎn)橢球體,其尺寸通常采用無量綱相對長度Lc/Dn和相對直徑Dc/Dn作為超空泡的幾何特征量來描述。圖2和圖3給出了不同空化數(shù)下,120°圓錐空化器和圓盤空化器的超空泡相對直徑與相對長度隨空化數(shù)變化曲線,并將圓盤空化器模型的仿真結(jié)果與SCVA軟件計算結(jié)果相比較,二者基本符合,驗證模型的精確性。文中SCVA軟件是由烏克蘭國家科學(xué)院力學(xué)研究所,根據(jù)大量有關(guān)超空泡模型自由運動(V=50～1400m/s,相應(yīng)空化數(shù)σ=1.4×10-4-10-2)實驗材料開發(fā)的計算軟件,該程序可以按照給定的參數(shù)繪制超空泡形態(tài)。根據(jù)圖2和圖3的仿真結(jié)果可以看出:1)在相同空化數(shù)和空化器直徑條件下,圓盤空化器比120°圓錐形空化器產(chǎn)生的超空泡相對直徑與相對長度要大,所以一般認為圓盤空化器要比圓錐空化器的空化性能好,帶圓盤空化器頭部射彈更容易形成超空泡。2)超空泡的尺寸變化主要取決于空化數(shù)的大小,超空泡相對直徑、相對長度隨空化數(shù)的增加而減小。Reichardt認為,軸對稱超空泡長度與最大直徑的比值與空化器的形狀無關(guān),只是空化數(shù)的函數(shù)。圖4給出帶圓盤空化器頭部射彈模型所產(chǎn)生超空泡的長細比隨空化數(shù)的變化曲線。由圖4可知,超空泡的長細比隨空化數(shù)增加而減小。在文獻中,超空泡的長細比也稱為其形態(tài)的優(yōu)良率,Lc/Dc值越大,超空泡形態(tài)就越好,減阻效果就最好。由此可見,空化數(shù)越小,超空泡的減阻效果也就越好。2.3空泡形態(tài)變化的表現(xiàn)采用Fluent軟件的自定義函數(shù),將邊界條件中的來流速度改為時間速度的函數(shù),并采用二維非定長求解器,模擬了空化性能較好的圓盤空化器頭部射彈在水下高速航行過程中超空泡的變化發(fā)展過程。圖5為射彈模型航行速度隨時間變化的數(shù)據(jù)(由烏克蘭國家科學(xué)院流體力學(xué)研究所開發(fā)的軟件SCAV計算)。自然超空泡的形成與發(fā)展主要是由于射彈航行速度的降低而增加了空化數(shù),使得超空泡輪廓的減小。圖6給出了射彈模型在高速下超空泡發(fā)展變化過程。從圖6中可看出,射彈在高速航行時瞬間形成穩(wěn)定空泡流,彈體表面包裹著一層薄薄的汽泡,彈尾被一個拖曳狀的巨大的橢球體汽泡包圍著,流場出現(xiàn)較大穩(wěn)定的空化區(qū)域,射彈處于超空化狀態(tài)。表1給出了水下射彈航行中的運動參數(shù)和超空泡形態(tài)參數(shù)的仿真結(jié)果。從表中可見,高速航行的射彈所形成穩(wěn)定超空泡的主要特點是其長細比非常高。隨著射彈在水下航行速度的急劇遞減,超空泡幾何外形迅速減小,其中超空泡的長度比最大直徑的遞減更為明顯。圖7給出了空泡的幾何特性的意義,h為空泡厚度,h是根據(jù)α=0.5的等體積含量線來確定。圖8為射彈速度V=492m/s,333m/s,276m/s時,射彈表面空泡厚度的仿真結(jié)果。由圖8可見,在整個穩(wěn)定超空泡的運動狀態(tài)中,一直維持射彈完全處于超空泡范圍內(nèi)。隨著射彈速度的遞減,射彈表面的空泡厚度不斷減小,射彈頭部空泡厚度略有增大后又逐漸減小,這主要是由彈體頭部直徑逐漸增加,造成空泡厚度的相對減小;在彈體圓柱部處,由于直徑?jīng)]有變化,空泡厚度又略有回升?？梢灶A(yù)見,如果射彈的速度繼續(xù)降低,射彈表面的空泡將不能包裹住彈體表面,超空泡開始剝離脫落。由于超空泡的潰滅、消失,從而導(dǎo)致射彈的失穩(wěn)。3空化氣用量對超空泡的影響通過對高速射彈自然超空泡形態(tài)的數(shù)值模擬研究,可以得到以下結(jié)論:1)在相同空化數(shù)和空化器直徑條件下,帶圓盤空化器頭部射彈比帶圓錐空化器頭部射彈產(chǎn)生超空泡的相對直徑與相對長度要大,所以一般認為圓盤空化器要比圓錐空化器的空化性能好,帶圓盤空化器頭形的射彈更有利于超空泡形成與穩(wěn)定。2)超空泡的尺寸變化,主要取決于空化數(shù)的大小,超空泡的相對長