横流环境中高速射弹超空泡流及弹道特性数值分析.pdf

第 卷第 期 年 月弹道学报 .收稿日期:基金项目:浙江省自然科学基金重点项目()作者简介:张程伟()男硕士研究生研究方向为超空泡流动:.通信作者:贾会霞()女讲师研究方向为超空泡流动:.:./.()横流环境中高速射弹超空泡流及弹道特性数值分析张程伟贾会霞周东辉施红辉王焯锴(.浙江理工大学 机械与自动控制学院浙江 杭州.西北工业大学宁波研究院浙江 宁波)摘要:为研究横流对水下高速射弹超空泡形态的演化规律及弹道特性的影响基于 多相流模型采用 湍流模型、空化模型和刚体六自由度模型结合重叠网格技术对横流环境中高速运动的水下射弹进行了三维数值模拟 分析了 /和 /三个不同横流速度下射弹超空泡的演化过程、射弹表面压力分布、周围流场速度分布以及射弹的水动力特性 研究结果表明:受横流影响射弹表面超空泡不再对称随着时间推移射弹的超空泡形状非对称性增加背流侧空泡半径增大迎流侧减小在一定条件时弹体迎流测的尾部会出现沾湿现象射弹初始速度相同时横流速度越大头部压力的最大值越大并且压力极值位置越靠近迎流侧头部一端不同横流速度下弹体运动方向的速度衰减趋势基本一致而横流方向的偏移速度随横流速度的增大而增大关键词:超空泡高速射弹横流环境水下运动弹道特性中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):./.:弹道学报第 卷 对于水下运动的物体随着运动速度的增大物体周围的压力随之降低当压力降低到当地饱和蒸汽压力时水会发生汽化从而形成空泡 当空泡包裹住整个物体表面时就形成了所谓的“超空泡”此时物体受到的阻力明显下降减阻最大可达 以上 因此超空泡减阻技术在水下枪炮、水下高速鱼雷、反潜火箭、潜射导弹等兵器的设计中有着重要应用针对超空泡流动国内外学者进行了大量的理论和实验研究 基于 提出的空泡截面扩张原理对超空泡物体在水中的高速运动进行了大量实验研究进一步完善了超空泡形状的经验公式 通过实验分别对亚音速和超音速条件下的空泡形态进行了分析得到了可压缩性对超空泡流场的影响 等通过对弹体小攻角入水进行实验讨论了弹体形状及入水角对超空泡形态的影响 通过实验和理论分析了水下航行体运动轨迹和空泡形状并将六自由度()刚体模型和 方程耦合证实了此方法的准确性 曹伟等通过高速射弹试验获得了空化数对超空泡形态特性和演化规律的影响 易文俊等通过数值模拟分析了不同头型以及不同空化数下射弹在水中高速航行过程中超空泡形态特性 施红辉等利用高速摄影技术对高速射弹水平入水进行了大量实验分析了水深弹体长径比对超空泡形状及弹体阻力系数的影响并通过数值模拟研究了水下连发射弹超空泡之间的流动特性 张鹤等通过高速射弹并联发射装置开展了并联射弹水下实验探讨了射弹之间不同间距异步射弹发射对产生双空泡之间的影响 韩玉晶等通过数值模拟对不同射弹间距和不同时间间隔的水下并联射弹进行了研究对比分析了空泡的发展规律和射弹的弹道特性 袁馨等对水下剪切来流中的超空泡射弹进行数值模拟研究研究发现剪切来流下空泡呈现不对称剪切率增大弹肩高速侧出现沾湿阻力系数增加上述研究的水下环境都是静水忽略了横流情况对空泡流动的影响 余德磊等对横流情况下回转体并联入水进行数值模拟分析了横流情况下回转体入水过程的空泡形态、流场及运动特性 李海东等人通过数值模拟研究了横流扰动下超空泡鱼雷形态及水动力特性分析了横流速度对鱼雷阻力的影响 等通过 软件数值模拟分析了横向速度对超空泡形态的演变得到了相同的侧向流速下对流速度越高侧向流动对空腔廓形和阻力的影响越弱的结论 但上述研究没有考虑横流环境下射弹速度的自然衰减本文采用重叠网格和 动网格技术模拟了射弹在不同横流速度下的自然衰减分析横流条件对射弹空泡形态、弹体表面压力分布和弹道特性的影响 数学方程.控制方程超空泡射弹水下运动涉及气、液两相流动本文数值计算采用 多相流模型求解水和水蒸气构成的多相流动系统 多相流模型通过将水和水蒸气两相作为单一流体介质混合相处理各相共用同一套动量方程通过计算得到各相流体所占的体积分数由此确定流动系统中各相的分布情况混合相的连续性方程和动量方程分别为()()()()()式中:为混合相密度 为时间为混合相的速度 为 流 体 压 力 为 黏 性 剪 切 应 力 为混合相的动力黏度为克罗内克尔符号 分别代表方向坐标为附加源项气液混合相的密度和黏度分别为()()()()式中:为水蒸气相的体积分数、分别为水和水蒸汽的密度、分别为水和水蒸气的动力黏度.湍流模型本文采用 湍流模型该湍流模型对于高速流动计算具有较高的准确性近壁面采用标准壁面函数计算湍动能 和耗散率 的控制方程分别为()()()()()()第 期张程伟等 横流环境中高速射弹超空泡流及弹道特性数值分析式中:为湍流黏度、分别为 和 的负向效应的普朗特数为速度梯度产生的湍动能、为湍流动能耗散率的经验常数.空化模型本文采用 空化模型来描述超空泡流动中所涉及的汽相和液相之间的质量传递和能量传输该模型具有较高的收敛速度和计算稳定性 其方程的一般形式为()()()()()()()式中:为水蒸气相速度矢量为蒸发速率为冷凝速率为气核的半径为水的饱和蒸汽压力 数值方法.计算模型本文射弹几何模型源于文献中的实验射弹模型如图 所示 弹体为圆柱体弹体的轴线为 方向弹体在水中运动时初始的速度方向也为 方向 弹体长 直径 长径比为质量为.因为横流可能会影响弹体附着超空泡轮廓的对称性和造成弹体轨迹相对于轴线方向的偏移本文采用三维模型开展数值模拟图 射弹的物理模型 射弹在水下运动产生空泡时沿 截面截取如图 所示的二维空泡形态图 超空泡形态参数 图 中横流速度方向为 的正方向直接接触横流的空泡轮廓一侧称为迎流侧另一侧称为背流侧 定义弹体迎流侧空泡半径和背流侧空泡半径分别为 和 弹体运动方向与 轴(即弹体初始速度方向)之间的夹角定义为偏航角 弹体头部向 轴正方向(即远离迎流测)偏转为正反之为负.边界条件设置及网格划分图 为计算域和边界条件示意图 弹体在流场中的运动通过重叠网格和 技术来实现整个计算域为 ()的长方体区域该计算区域可避免边界效应并满足射弹航道距离要求 前景网格为一直径为 长度为 的圆柱体区域两套网格重叠区域部分通过插值计算从而实现数据交换 计算区域采用结构化网格进行划分为保证数据交换精度重叠部分进行网格加密 图 为 平面内的二维网格示意图 迎流面设置为速度入口其他计算域外边界设置为压力出口弹体表面设置为壁面 计算模型中压力速度耦合求解采用 算法压力场空间离散化采用!算法体积率离散采用 计算时间步长为 图 计算域和边界条件 图 平面内的二维网格示意图 .数值方法有效性验证为了验证本文数值方法的有效性采用文献中工况 进行验证工况 采用的射弹模型和图 所示的射弹模型相同初速度为./水深为 对比结果如图 所示从图中可看出数值计算结果和实验结果的超空泡轮廓和大小基本一致数值计算结果略小于实验结果最大误差约.弹道学报第 卷图 时数值计算和实验结果对比图 .网格无关性验证为了验证网格无关性分别建立 种不同密度的网格网格数分别为 万、万、万计算时间步长为 采用图 射弹模型分别用上述 种不同的网格密度对初速度为 /的水下射弹进行数值模拟 射弹速度随时间变化曲线如图 所示 可以看出随着网格数加大 万网格和 万网格射弹速度变化规律几乎一致 万网格速度下降较快考虑在保证计算精度的情况下为提高计算效率本文采用 万网格进行数值计算图 网格无关性验证 数值结果与分析在不考虑水深条件下 本文以初始速度为/的射弹为例对横流速度 为 /和 /的 种工况进行数值模拟对比分析横流速度对超空泡的演化过程、流场分布特性和弹体的弹道特性影响.超空泡形态特性分析横流情况下水下射弹的超空泡演化过程较为复杂 图 为不同横流速度下空泡的演化过程图中黑色代表水相白色代表气相 横流的方向从下方指向上方 从图中可看到由于横流的作用空泡向背流一侧倾斜不再对称图 不同横流速度下超空泡演化过程图(平面)()第 期张程伟等 横流环境中高速射弹超空泡流及弹道特性数值分析由图()可知横流速度为 /时在 .时的初始阶段超空泡首先在弹体的肩部和尾部出现受横流影响弹体肩部和尾部的空泡都呈现不对称特征 对于肩部空泡背流侧半径大于迎流侧而在尾部背流侧空泡的尺寸要小于迎流测的空泡 在.时肩部空泡和尾部空泡都发展变大趋于形成一个覆盖整个弹体的超空泡 但受横流影响背流侧尾部空泡和肩部空泡没有完全融合在尾部靠近背流侧产生射流现象随着时间推移射流区域逐渐变小 在 .时空泡的长度已达弹体尺寸的.倍左右 随着弹体的运动受流动阻力影响弹体速度逐渐衰减在.时刻空泡的尺寸基本稳定从图 中可看出横流速度越大在迎流测射弹尾部出现沾湿现象时间点越早这必然会造成弹体负载的变化从而影响弹体的运动轨迹 在图()中横流速度为 /时未出现沾湿现象图()横流速度为 /时射弹尾部已经出现沾湿尾而在图()横流速度为 /时.时就已经出现沾湿现象 时尾部沾湿状态持续可观察到射弹此时发生偏转图 为横流速度对空泡半径的影响 从图中可看出同一横流速度影响下迎流侧空泡半径 受横流影响半径减小背流侧空泡半径 则相对比较稳定同一时刻下横流速度越大迎流侧空泡半径 越小背流侧空泡半径 越大空泡越不对称图 不同横流速度下空泡半径对比图 .弹体表面的压力分布变化弹体表面的压力分布与弹体所受到的作用力密切相关 图 是不同时刻射弹头部压力分布曲线图以横坐标原点为射弹头部中心点负方向为迎流一侧正方向为背流侧一端图中 为标准大气压图 不同横流速度对头部压力分布图的影响 弹道学报第 卷 初始阶段(.)头部压力分布比较对称头部中心点达到压力最大值中心点两侧呈递减趋势到达头部两端急剧下降随时间推移头部压力的最大值从.时约 倍大气压逐渐降低为.时不到 倍大气压并且射弹持续受横流影响头部压力分布越不均匀对称射弹头部压力的最大值从头部中心点逐渐向迎流侧一端移动结合图()和图()可以看出当横流速度不断变大头部的最大压力值越大并且压力的最大值也越靠近迎流侧一端弹体水下高速运动时随着时间推移空泡逐渐包裹弹体只有头部一直处于沾湿状态 当横流速度不同时弹体尾部在会先后出现再沾湿造成弹体表面压力的变化图 是横流速度为 /时沾湿时间段尾部压力图和弹体周围的压力云图沿直径以横坐标 为射弹尾部中心点负方向为迎流一侧正方向为背流侧一端前方的圆形截面为弹体的尾部从图中可看出在.之前时迎流侧尾部压力受横流影响一直变大.时靠迎流侧尾部压力达到最大沾湿后由于水动力影响此时弹体发生偏转沾湿处压力又呈现出逐渐变小趋势而背流侧尾部的压力由于射流逐渐消失呈现逐渐递减的趋势弹体头部压力较大可以看出弹体侧面压力从弹体沾湿到弹体发生偏转后侧面压力先变大后变小图 为.时不同横流速度下的弹体周围流场速度矢量图 从图中可以看出横流的影响导致弹体壁面附近流体质点背流侧速度远大于迎流侧速度 并且随着横流速度的变大导致弹体尾部产生的高速回流旋涡逐渐消失.弹体的水动力学特性分析受横流影响水下射弹在高速运动时会受到不同的侧向水动力的作用导致射弹运动速度运动轨迹情况差异 图 为弹体水下运动示意图弹体的初始速度方向沿 轴正方向横流方向沿 轴正方向 图 为射弹在不同横流速度情况下的轴向速度衰减图 从图中可以看出 种工况下射弹速度衰减趋势 基 本 相 同横 流 速 度 为/时轴向速度的衰减只稍微略高于横流速度为 /时的工况 这是因为横流速度越大空泡难以完全包裹住射弹弹体越早出现尾部大面积沾湿现象导致射弹前进时所受水的黏性阻力变大速度下降越快图 不同时刻下横流速度为 /的压力分布图 /图 为横流速度对弹体 方向阻力系数的影响 从图中可以看出 种工况下弹体在运动初始阶段受到的阻力很大随着空泡的产生阻力系数逐渐降低 在阻力系数的放大图中可以看到横流速度对弹体 方向的阻力系数影响较小图 为横流速度对横流方向侧力系数的影响射弹水下运动侧向力主要受横流作用的水动力 从图 中可以看出横流速度大初始阶段弹体的侧力系数越大 随着时间推移高速弹体表面附近的水发生气化产生空泡逐渐包裹弹体空泡内弹体包含大量水蒸气表面受水动力影响逐渐变小侧力系数逐渐变小 形成空泡后稳定运动一时间段后横流第 期张程伟等 横流环境中高速射弹超空泡流及弹道特性数值分析速度为 /情况下弹体表面最先出现沾湿情况侧力系数逐渐变大横流速度为 /时射弹的侧力系数在各自出现沾湿现象时逐渐变大图 .不同横流速度下速度矢量图 .图 弹体水下运动示意图 图 方向速度衰减曲线图 图 为弹体运动在 方向的偏移量从图中可以看出横流速度对射弹的运动偏移量影响较大因为射弹在除了向前运动时会受到的水阻力同时横流水作用给弹体施加了横向作用力导致弹体偏移量逐渐变大并且横流速度大弹体运动偏移量越大 图 为弹体在 方向的速度曲线图可以看出在 种工况下横流速度越大 方向上速度越大并且空泡在没有完全包裹住弹体时弹体受横流水动力持续影响 方向上速度急剧增大当随着空泡完全包裹住弹体弹体在空泡内部受水动力作用变小 方向上速度呈现缓慢减小的平坦曲线由于横流作用尾部在不同时间出现沾湿现象后水动力作用又变大 种工况下在不同时间点 方向上速度又逐渐增加并且横流速度越大其增大的时间点越早在 .时弹体在 方向的偏移速度此时达到横流速度的 左右图 方向阻力系数图 图 方向侧力系数图 图 弹体 方向偏移量曲线图 弹道学报第 卷图 方向速度变化图 图 为射弹偏航角随时间的变化曲线图 随着时间推移横流作用的持续影响横流速度越大偏航角越大弹体运动轨迹受其影响越大 在初始阶段弹体头部受横流影响较大头部先朝负方向()小幅度偏转持续一段时间后在出现尾部出现沾湿情况后尾部受横流水作用力后弹体尾部朝正方向()大幅度偏转横流速度越大偏航角受横流作用影响越大偏航角度越大弹体运动轨道稳定性越差图 偏航角随时间的变化 弹体在水下沿 方向高速运动同时受到横流作用在 种不同工况下弹体在 方向的位移和绕、轴的偏转角都很小 结论本文在考虑横流情况下对高速射弹水下运动的超空泡流场进行数值模拟分析了不同横流速度对空泡演变过程、弹体表面压力分布以及弹体的弹道特性的影响得出的结论如下:水下射弹受横流作用影响射弹产生的空泡不具有对称性 在空泡形成的初始阶段肩部空泡的迎流测半径小于背流侧而尾部的迎流测空泡尺寸大于背流侧在相同弹体初始速度和相同时刻条件下横流速度越大迎流侧空泡半径越小背流侧半径越大 在一定的时间点时会出现弹体尾部的沾湿现象 横流速度越大出现尾部沾湿的时间越早受横流持续影响射弹头部压力的最大值从头部中心点逐渐向迎流侧一端移动横流速度越大头部的最大压力值越大不同横流速度时弹体所受到的 方向的阻力系数变化趋势基本相同因此随横流速度的改变弹体在 方向(初始速度方向)的速度衰减趋势基本一致射弹在 方向(横流方向)上所受到的侧向力要大于 方向因此 方向的偏移量也明显大于 方向 横流速度越大相同时刻时弹体的偏移速度也越大.时弹体在 方向的偏移速度达到横流速度的 左右参考文献 .():./.:.():./.:./.:./.:.():.曹伟王聪魏英杰等.自然超空泡形态特性的射弹试验研究.工程力学():.():.()易文俊熊天红刘怡昕.水下高速射弹超空泡形态特性的数值模拟研究.舰船科学技术():.第 期张程伟等 横流环境中高速射弹超空泡流及弹道特性数值分析 .():.()施红辉周杨洁贾会霞等.水深和弹体长径比对超空泡弹体阻力系数及空泡形状影响的实验研究.兵工学报():.():.()施红辉周东辉孙亚亚等.水下连发射弹的超空泡流动特性研究.兵工学报():.():.()张鹤魏英杰王聪等.并联射弹水下运动实验研究.舰船科学技术():.():.()韩玉晶李强王辰等.水下并联超空泡射弹外弹道数值分析.弹道学报():.():.()袁馨周标军戴琪等.剪切来流下超空泡射弹空化与水动力特性的数值研究.弹道学报():.():.()余德磊王聪何超杰.回转体并联入水过程空泡及运动特性数值模拟.哈尔滨工业大学学报():.():.()李海东齐江辉吴述庆.横流扰动下的鱼雷超空泡及水动力特性研究.兵器装备工程学报():.():.().().张鸣远景思睿李国君等.高等工程流体力学.西安:西安交通大学出版社.:.()魏海鹏符松.不同多相流模型在航行体出水流场数值模拟中的应用.振动与冲击():.():.()周素云.水平运动超空泡的发生及流体力学机理研究.杭州:浙江理工大学.:.()