空化对航行器垂向入水特性影响机理研究.pdf
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1、第8卷 第2期2 0 2 4年3月宇航总体技术A s t r o n a u t i c a lS y s t e m sE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yV o l.8N o.2M a r.2 0 2 4收稿日期:2 0 2 3-0 9-2 4 修订日期:2 0 2 4-0 3-1 1基金项目:国家自然科学基金(1 2 3 7 2 2 7 2)作者简介:李莎靓(2 0 0 1),女,博士研究生,主要研究方向为飞行器流 热 固耦合。通信作者简介:李世斌(1 9 8 7),男,博士,助理研究员,主要研究方向为飞行器轻量化结构设计。空化对航行器垂向入水
2、特性影响机理研究李莎靓1,2,刘 冰1,田 逾2,李世斌1(1.国防科技大学空天科学学院,长沙4 1 0 0 7 3;2.北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京1 0 0 1 9 1)摘 要:航行器以一定速度入水过程中将发生空化现象,这对其受力特性及运动轨迹都有重要影响,是跨介质航行器的关键问题。针对航行器不同速度垂向入水中的空化现象开展了数值模拟研究,采用整体运动网格方法,分析了航行器垂向入水过程中,空化和入水速度对运动特性及流场演化的影响。研究结果表明,超空泡主要从航行器外形斜率改变处开始生成,空泡的闭合与溃灭都会造成受力曲线的较大波动。超空泡的减阻效果主要在航行器完全进入水面后体现,且
3、航行器垂向入水速度越大,阻力系数越小。关键词:跨介质航行器;入水冲击;空化;超空泡;数值模拟 中图分类号:V 2 1 1文献标志码:A文章编号:2 0 9 6-4 0 8 0(2 0 2 4)0 2-0 0 1 5-0 9R e s e a r c ho nC a v i t a t i o nI n f l u e n c eo fV e h i c l e s V e r t i c a lW a t e rE n t r yC h a r a c t e r i s t i cL IS h a l i a n g1,2,L I UB i n g1,T I ANY u2,L IS h i
4、b i n1(1.C o l l e g eo fA e r o s p a c eS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,N a t i o n a lU n i v e r s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g y,C h a n g s h a4 1 0 0 7 3,C h i n a;2.S c h o o l o fA e r o s p a c eS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,B e i h a n gU n i v e r s i t y,B e
5、i j i n g1 0 0 1 9 1,C h i n a)A b s t r a c t:C a v i t a t i o np h e n o m e n o no c c u r sd u r i n gt h ec e r t a i n-s p e e de n t r yo f t h ev e h i c l e i n t o t h ew a-t e r,w h i c hh a s a n i m p o r t a n t i m p a c t o nt h e f o r c ea n d t r a j e c t o r yc h a r a c t e r
6、i s t i c s,a n d i t i s t h e c r i t i c a lp r o b l e mo f t r a n s-m e d i u mv e h i c l e s.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n i sc o n d u c t e do nt h ec a v i t a t i o np h e n o m e-n o no fv e h i c l e se n t e r i n gw a t e rv e r t i c a l l ya td i f f e r e n t s p e e d.T h
7、 e i m p a c t o f c a v i t a t i o na n dw a t e r e n-t r ys p e e do n t h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n d f l u i d f i e l de v o l u t i o no f t h ev e h i c l ed u r i n g i t sv e r t i c a l e n-t r yi n t ow a t e r i s a n a l y z e d.T h e r e s e a r c hr e s u l t s s
8、 h o ws u p e r c a v i t a t i o no c c u r sm a i n l yw h e n t h e s l o p eo f t h ev e h i c l es h a p ec h a n g e s.T h ec l o s u r ea n dc o l l a p s eo fc a v i t i e sw i l l c a u s et h ef o r c ec u r v et ob el a r g e r f l u c t u a t i o n s.T h ed r a g r e d u c t i o ne f f e
9、 c t o f s u p e r c a v i t a t i o n i sm a i n l y r e f l e c t e da f t e r t h ev e h i c l ec o m p l e t e l ye n t e r s t h ew a t e rs u r f a c e,a n dt h eg r e a t e r t h ev e r t i c a l s p e e do f t h ev e h i c l ee n t e r i n gt h ew a t e r,t h es m a l l e r t h er e s i s t
10、a n c ec o e f f i c i e n t.K e yw o r d s:T r a n s-m e d i u mv e h i c l e;W a t e r-e n t r y i m p a c t;C a v i t a t i o n;S u p e r c a v i t a t i o n;N u m e r i c a l s i m u l a-t i o n0 引言随着科学技术的发展,跨介质航行器的研发受到各国极高程度的重视,成为水动力学研究领域的核心问题1-2。在出/入水过程中,跨介质航行器的冲击问题是一个牵涉固、液、气三者的复杂 宇航总体技术2 0 2
11、4年3月物理过程,包括多相流场与结构响应的相互作用,可被进一步概括为“固液抨击作用”3-4,具有高耦合、强非线性的特点。当水中某处的局部压力低于该处温度所对应的饱和蒸气压 时发生的 局部汽化现 象 可 称 为 空化5。大部分时候,空化现象有害但又难以避免,而超空泡技术的产生打破了这一困境。该技术充分利用空化现象,在空化现象的极限状态 超空化状态下,空泡尺寸增大到足以包裹整个水下航行体,并在周围水流与空泡之间形成了明显的气液两相界面,使得水下航行体的航行阻力急剧减小6-7。国内外研究学者对入水冲击现象与空泡演化的研究 已 经 有 很 长 的 历 史 渊 源。早 在1 9 0 0年,W o r t
12、 h i n g t o n等8使用摄影技术,对小球入水进行了实验研究,对球体表面进行打湿处理后,小球入水时水面的溅射状态对其有较大影响。1 9 3 2年,W a g n e r9分析了小倾斜升角模型的入水冲击过程,总结出近似平板理论,为现代入水理论研究奠定了基础。2 0世纪中叶,M a y1 0-1 1分别对不同清洁度表面的小球和涂有不同黏性物质的小球进行了入水冲击实验,基于大量实验数据,提出了理想空泡模型,并认为航行体头部直径、阻力系数等会影响到空泡的截面半径。到1 9 9 5年,L e e1 2总结了高速入水过程中的空泡动力学模型,提出了空泡深闭合与表面闭合的概念。L e e等1 3根据
13、能量守恒定理建立了航行体入水时的空泡动力学方程,并推导出了描述空泡直径随入水过程变化的公式。赵志敏等1 4通过试验提出了一种基于压力时间-空间云图的识别方法,研究潜航体表面空泡发展特性。S u i等1 5对4 0种不同头部形状航行器的斜向入水进行了实验,以此研究航行器入水过程中空泡的演变和冲击载荷的作用。继理论与实验研究之后,数值模拟成为被广泛使用的重要研究方法。刘华坪等1 6通过改变不同椭球头型航行器的长短轴比及入水速度,分析头型对入水及水下航行过程中航行器受到的冲击力变化的影响。杨志宏等1 7研究了不同开盖角度、海水温度、发射水深、发射平台速度下航行器运动参数和 发射装置流 场载荷的 变
14、化 规 律。J i a n g等1 8对不同头部形状、入水速度、间隔时间和间隔距离的超声速航行器的串联与并联入水进行了数值模拟,详细分析了其受力及运动特性。魏海鹏等1 9模拟了多种不同头部喷气结构的航行体入水过程,分析其降载作用与流场的变化,并捕捉了流动形成、空泡敞开、空泡闭合、空泡溃灭的演化过程。袁绪龙等2 0数值模拟了一种采用特定的超空泡外形的跨介质航行器的高速入水过程,结合空泡形态演化分析了航行器所受的冲击载荷特性,并着重分析其尾拍振荡现象与超空泡减阻效果。采用数值仿真方法对固定外形航行器垂向入水过程进行模拟,并围绕空化对其受力及运动特性的影响规律展开深入研究,着重分析了不同速度下的流场
15、演化过程,为航行器入水的水动力载荷预测和外形设计提供重要的参考。1 物理模型及数值方法1.1 物理模型采用的计算模型如图1所示。模型为轴对称结构中的一半(底部边界为对称轴),取航行器轴向为重 力 作 用 方 向。计 算 域 整 体 大 小 为2 3L12.1L1。取头部圆弧段终点为a点,外形斜率改变处为b点。图1 航行器垂向入水模型F i g.1 V e r t i c a l e n t r ym o d e l1.2 数值方法简化航行器入水模型为二维轴对称标准模型,控制方程采用非定常可压缩的雷诺平均N a v i e r-S t o k e s方程。划分的结构网格数量为2 0万,图2展示了
16、航行器附近的网格划分。边界条件中,底部设置为对称边界条件,左边界、右边界、上边界均设置为压力入口边界条件,航行器边界设置为壁面。采用包括水、空气、水蒸气在内的三相VO F(V o l u m eF l u e n tM o d e l)模型。VO F模型指两种或两种以上不相互混合的流体或流体组分共用一套控制方程,通过引入相体积分数实现计算域内相间界面的捕捉。61 第2期空化对航行器垂向入水特性影响机理研究图2 网格示意图F i g.2 G r i d s s c h e m a t i c 如果用q表示q相体积占所在网格所有相总体积的比值,那么每一个网格中所有相体积分数之和都为1。当q等于0时
17、,表示单元网格中没有q相;当q介于0与1之间时,表示单元网格包含q与其他相;当q等于1时,表示单元网格中全为q相。q相体积分数的连续性方程为1qt(q)+(qqvq)=3p=1(mp q-mq p)(1)其中,mp q是p相流体到q相流体的质量传递,mp q是q相流体到p相流体的质量传递。采用基于R a y l e i g h-P l e s s e t气泡动力学方程推导出的S c h n e r r-S a u e r空化模型2 1,达到模拟水和水蒸气之间质量传递关系的目的。S c h n e r r-S a u e r模型是一种比较理想的空化模型,更好地符合空化现象里空泡的非定常特性。其蒸
18、发率与凝结率是利用质量源项来表示的,具体形式如下所示m+=vlmv(1-v)3R23(pv-p)l,ppvm-=vlmv(1-v)3R23(p-pv)l,ppv(2)R=v1-v34 nv13(3)其中,pv为饱和蒸汽压,R为空泡半径,nv为单位体积空泡数。采用R e a l i z a b l ek-湍流模型2 2,具有鲁棒性较好、计算量不大的优点。采用六自由度刚体运动模型,通过耦合刚体所受的附近流体的力,从而求解其平动方程、转动方程,达到获得物体的平移速度、转动速度的目的,并利用用户自定义函数约束航行器的运动,使其垂向入水。模拟时先使航行器从离水面0.0 1m处以一定速度强迫运动至水面,再
19、使其自由运动,并考虑重力的影响。最后采用整体运动网格方法2 3-2 5,将仿真模型中的所有网格和物体看作一个整体,一起做刚体运动。即物体运动时,所有网格的坐标也在发生相同的改变。此方法避免了网格变形与重构导致的质量降低,提高了模拟仿真计算的准确性和便捷性。水面高度保持不变通过控制边界处体积分数实现:当水的体积分数等于0时,表示网格位于水面以上;当水的体积分数等于0.5时,表示网格高度与水面高度相同(位于水气交界面);当水的体积分数小于1时,表示网格位于水面以下。2 数值验证2.1 空化模型验证基于R o u s e和M c N o w n在水洞中的半球柱空化实验2 6,验证仿真过程中S c h
20、 n e r r-S a u e r空化模型的可靠性。水流从左侧喷口流出冲击右侧被固定的半球柱,并利用半球柱上分布的多个压力计测量表面压力。通过改变水流速度,对比不同空化数下的半球柱表面的压力系数。压力系数与空化数分别为Cp=p-p012wV20(4)=p0-pv12wV20(5)其中,p0为来流无穷远处压强,w为水的密度,pv为空泡内压强,V0为来流速度。图3 半球柱表面压力系数F i g.3 H e m i s p h e r i c a l c o l u m ns u r f a c ep r e s s u r ec o e f f i c i e n t s图3给出了不同空化数下半
21、球柱表面压力系数的变化曲线,其中横坐标(s/d)为从半球顶点沿外形的曲线长度与球径的比值。从图中可以看到,空化数越小,曲线中的“平底”越长,即产生的空泡越大。从=0.2到=0.5的仿真结果都与实验吻合良好,由此可推断,S c h n e r r-S a u e r空化模型可以准确模拟空化现象。71 宇航总体技术2 0 2 4年3月图4展示了空化数为0.2时,半球柱头部区域的压力系数分布云图与水的体积分数分布云图。压力系数分布云图可以看出,压力峰值出现在航行器头部位置,从半球柱头部驻点到空泡所在位置持续下降,经过空泡区后又迅速回升。空泡内主要由低压的水蒸气相构成,在水体的挤压作用下,闭合点附近出
22、现局部高压区。从水的体积分数分布云图可以看到,脱体点空泡壁面与半球柱的球面斜率及曲率相同。空泡尾部的流动十分复杂,出于网格数量不足的原因,未能准确模拟空泡尾部水与水蒸气的相界面,但考虑到仿真数据与实验数据在空泡尾部吻合良好,故可以推断空泡尾部并未对压强相关计算造成太大影响。(a)压力系数分布(b)水的体积分数分布图4=0.2时压力系数分布和水的体积分数分布云图F i g.4 C l o u d so fh y d r o s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dw a t e rv o l u m e f r a c t i
23、o nd i s t r i b u t i o na t=0.22.2 整体运动网格方法验证基于张伟等2 7的高速入水特性实验,验证整体运动网格方法的正确性,实验设置如图5所示。水容器左侧由一层塑料薄膜密封入口,减小进入水容器时空气对空化作用的影响,利用高速摄像机观察水中轨迹。仿真时使整个计算域充满水,完全排除了空气的干扰,使模拟过程更加真实。速度 与 位 移 随 时 间 变 化 的 理 论 计 算 公 式如下2 7vp=0v0t a na r c t a n10-k 0v0t(6)图5 平头圆柱空化实验模型2 6F i g.5 F l a t-h e a dc y l i n d r i
24、c a l c a v i t a t i o ne x p e r i m e n t a lm o d e l2 6sp=1kl n1+00c o sa r c t a n10-k 0v0t(7)式中,0为初始空化数,v0为入水初速度,k=wA0C0/2mp,A0=(d/2)2,C0是来流压力为饱和蒸气压时平头圆柱的阻力系数。由能量守恒原理推导出的空泡半径随侵彻距离变化的理论关系式1 3为R(x)=R20+2R0C02Nx-2Nx2(8)其中,N为经验系数,R0为平头圆柱半径。图6和图7对比了实验、理论、仿真中位移与速度随时间的变化规律。图8给出了空化数=0.0 1 5时,平头圆柱入水形成
25、空泡尺寸的对比。从位移、速度图像和空泡尺寸对比图可以看出,仿真结果与实验及理论计算都吻合良好,且对于空泡尺寸的模拟更贴近实验数据。由此可推断出,在S c h n e r r-S a u e r空化模型下采用整体运动网格技术,具有较高的可行性。3 结果及分析 数值模拟了的航行器垂向入水情况,对航行器图6 平头圆柱的位移F i g.6 D i s p l a c e m e n t so f f l a t-h e a d e dc y l i n d e r81 第2期空化对航行器垂向入水特性影响机理研究图7 平头圆柱的速度F i g.7 S p e e do f f l a t-h e a d
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