高速超空化航行体典型空化器多相流CFD分析

1、第25卷第1期弹箭与制导学报53高速超空化航行体典型空化器多相流CFD 分析袁绪龙, 张宇文, 杨武刚(西北工业大学航海学院, 陕西西安7100723摘要基于匀相流假设, 建立了自然空化流动的多相流CFD 模型, 并在商业软件F luen t 的框架下实现。计算了半球头细长回转体的空化流动并与实验测量结果进行了比较, 表明该模型能准确预报回转体的空化流动。使用该多相流CFD 模型计算并分析了三种典型的空化器圆盘, 圆锥和射流空化器的的空化流动, 为进一步研究超空化高速水下航行体或高速射弹空化器参数与空泡参数的关系以及空化器与后体的匹配关系奠定了基础。关键词超空化; 航行体; 匀相流; 自然空化

2、; 回转体; 空泡中图分类号V 27文献标识码AM ulti -pha se CFD Ana lysis of Typ ica l Cav ita tor for H igh -SpeedSupercav ita ti ng Underwa ter Veh icleYUAN Xu 2long , ZHAN G Yu 2w en , YAN G W u 2gang (Co llege of M arine , N PU , Shaanx i X i an 710072, Ch ina Abstract :Based on homogeneou s flow hypo thesis , a m u

3、 lti 2phase CFD model fo r natu ral cavitating flow w as bu ilt and realized under the fram e of general CFD softw are F luen t . By num erically si m u lating the cavitating flow over slender body w ith hem isphere head and comparing w ith experi m en t m easu rem en t , the model w as invalidated

4、and p roved to be very accu rate . U sing th is model , th ree typ ical cavitato r fo r h igh 2speed supercavitating underw ater veh icle w ere si m u lated and analyzed , w h ich settled the base fo r investigating the relati on sh i p betw een cavity shape and cavitato r param eters and the m atch

5、 betw een cavitato r and afterbody .Key words :supercavitating ; underw ater veh icle ; homogeneou s flow ; natu ral cavitati on ; ax isymm etric body ; cavity1引言文中基于匀相流假设建立了自然空化流动的多相流CFD 模型, 并在商业软件F luen t 的框架下实现。文中首先给出了匀相流空化模型的理论公式和数值方法, 然后计算了一种半球头细长回转体的局部空化流动并与实验数据进行比较已验证该模型的有效性和模拟精度, 最后计算并分析了三种典

6、型头型的空化流动以及有后体情况下的空化流动。 (+=-+t t x j x i x j x j x (2其中,2m =l l +v (1-l , t =(3体积分数传输方程:+m - +=(mt x j2. 2空化模型(4液体在低压下的自然空化过程是一个复杂的相变热力学过程。这一复杂过程通过方程(4 中的源项来模拟。M erk le 等4引入了汽液两项5间的质量传输作为方程(4 中的源项。Kunz 等2理论公式2. 1支配方程连续方程:+=05t 5x j(1根据与M erk le 等同样的原理将汽化过程和凝结收稿日期:2004207226基金项目:国防重点实验室基金(51443070204H

7、 K 0301 资助作者简介:袁绪龙(1977 , 男, 博士研究生, 主要从事水下航行体流体力学与动力学研究。54过程进行细化得到:=m-弹箭与制导学报2005年4模型验证l2l U t 2为了验证该模型的有效性和精度, 计算了半(5球头细长回转体空化绕流。图1给出了选择的计算流动区域的形状, 边界条件定义和网格划分情况。在速度入口边界指定流动的速度和湍流参数, 在压力出口边界指定流动的压力和回流湍流参数, 壁面指定无滑移条件。为了获得曲线贴体网格 , 选取了如图1所示的计算区域, 在壁面附近分布较密的网格。2+m =l t 其中, C dest 和C p rod 分别为汽化和凝结传输过程的

8、经验常数, 时间单位定义为特征长度与参考速度的比值(l U 。2. 3湍流模型采用带有壁面方程的原始k -湍流模型实现湍流封闭:(+=P -+m +t x j x j k x (62+=C 1P -C 2+×m t x j k k x j (+x (7图1计算区域, 边界条件和网格划分图2给出了半球头回转体的表面压力分布计算结果与实验结果的比较, 实验数据取自文献5。可见, 计算结果与实验结果吻合良好, 表明其中, 湍流生成项, 雷诺应力张量项和Bou ssinesq 涡粘度分别定义如下:P =ij u i u j =, ij =-u i u j x jk ij -v t +3x j

9、 x i(8C 1, C 2, k , 为经验常数。3数值方法方程(1 (8 构成了完整的匀相流空化模型。根据匀相流假设, 混合物满足雷诺平均N 2S 方程(1 (2 。引入体积分数的概念来描述混合物中液体相和气体相所占的比例, 按式(3 确定混合物的密度和粘性, 求解体积分数传输方程(4 来确定液体相的体积分数。(4 式右端的源相图2半球头回转体壁面压力分布计算结果与实验数据的比较该模型精度较高。5典型空化器空化流数值模拟5. 1固体空化器圆盘和圆锥用于模拟空化过程中汽液量相间的质量转化。求出液体体积分数后, 液气两相体积各占50%(体积分数等于0. 5 的网格单元可视为液气界面即空泡壁。可

10、以使用多相流CFD 方法进行数值求解。文中在商业软件F luen t 的框架内, 使用U D F 等功能实现了上面的匀相流模型。图3给出了圆盘空化器有无后体条件下在空化数s =0. 2时的压力系数(左边 和密度(右边 分布图, 其中用细实线标出了空泡的外形。图3中显示圆盘空化器无后体时, 空泡自由闭合在一个圆盘面上; 有后体时, 空泡闭合在圆柱侧面形成明显的回射流。 力有所增加。表1圆盘和圆锥空化器的阻力系数圆盘圆盘+圆柱圆锥圆锥+圆柱全沾湿流动1. 211. 001. 050. 970. 700. 590. 74图3圆盘空化器有无后体时的压力系数和密度分布图(s =0. 2 空化流动=0.

11、21. 065. 2射流空化器射流空化器的原理是从运动体前端面喷射液体(水 或气体(空气 , 形成射流, 射流与来流相遇形成驻点面, 在该面上流体速度为零, 其作图4圆锥空化器有无后体时的压力系数和密度分布图(s =0. 2用相当于固体圆盘空化器, 形成驻点面的基本条件是射流的动压大于或等于来流的动压。通过调节射流的速度可以改变空泡驻点面与喷口的距离, 借此可以调节空泡与运动体的位置关系以及闭合位置等, 从而达到控制空泡的目的。下面计算射流空化器形成的自由闭合超空泡和有后体时的局部空泡。圆形喷口以26m s 的速度喷射水流同时以25m s 的速度在水下运动。图6给出了射流空化器在有无后体时的压

12、力系数(左边 和密度(右边 分布图, 图6中, 细实线标出了空泡外形 。图4给出了圆锥空化器有无后体条件下在空化数=0. 2时的压力系数(左边 和密度(右边 分布图, 其中用细实线标出了空泡的外形。图4中显示圆锥空化器无后体时, 空泡自由闭合在一个内凹的圆锥面上; 有后体时, 空泡闭合在圆柱面时也存在明显的回射流。图5给出了两种空化器有无后体时的空泡外形比较, 图5中, 粗实线为无后体时的空泡外形, 细实线为有后体时的空泡外形。图5中显示圆锥和圆柱空化器在有无后体时空泡最大直径之前的部分重合, 无后体自由闭合的超空泡比闭合在后体上的局部空泡长, 这是由于空泡闭合在圆柱面上引起的。设想如果后体为

13、直径不断增大的圆台则空泡理论上闭合在自由超空泡与后体壁面的交线上, 实际上由于回射流的存在空泡闭合位置更靠前 。图6射流空化器有无后体时的压力系数和密度分布图(s =0. 2图7给出了射流空化器有无后体时的空泡外形, 图7中, 粗实线为无后体时的空泡外形, 细实线为有后体时的空泡外形。图7中显示空泡最大直径偏后, 两个空泡前部重合, 无后体的自由闭合超空泡比有后体的局部空泡长 。图5圆盘和圆锥空化器有无后体时空泡外形(s =0. 2表1给出了两种空化器共四种组合在非空化和空化(=0. 2 条件下的阻力系数的计算结果。从表1中可以看出两种空化器没有后体时, 空化后阻力都有所降低, 有后体时, 空

14、化后阻力有所增大; 在相同空化条件下, 圆盘空化器有无后体阻力系数大致相同, 圆锥空化器有后体时阻图7射流空化器有无后体时的空泡外形(s =0. 3(下转第59页Xij=1射击, X ij =0不射击; f ij 为火力单元j 对目标i 效果值。在编程计算时, 充分利用已有的射击规则, 把目标和武器分类, 使武器和目标之间射击效果好的优先匹配。这种优化结果可能不是最佳, 至少是满意解, 可以满足战场上需要。损 , 此时得到的知识表达系统称为不完备的。如何从不完备知识表达系统中获取知识(规则 对于提高作战能力是一个现实问题; 依照粗集理论建立起来的计算机知识系统具有自学功能, 在目标分配智能化发

15、展方面有待于进一步研究和探讨。5总结与展望文中基于粗集理论的目标分配方法, 在战前把具有大量信息的知识表达系统通过知识约简而得到一些表达简单的射击规则(方案 , 再在实际战场上结合传统的数学规划方法进行定量优化。这种定性和定量相结合的方法, 为实时地解决现代战争中武器目标分配, 进行了有益的尝试和探索。文中提出的基于粗集知识约简的武器目标分配规则提取方法可以用于由大量作战实例建立起来的知识表达系统, 通过知识约简得到的规则建立知识库。同时, 在复杂的作战环境下, 有些信息可能并不准确甚至没有记录下来(数据值缺(上接第55页参考文献1戴耀, 汪德虎. 舰艇火力分配的多指标模糊优选动态规划J .

16、辽宁工程技术大学学报, 2001. 5, 20(5 :673-676.2曹奇英, 何张兵. W TA 问题的遗传算法研究J .控制理论与应用. 2001, 18(1 :76-79.3刘清. Rough 集及Rough 推理M . 北京:科学出版社, 2001.4韩松臣. 导弹武器系统效能分析的随机理论方法M . 北京:国防工业出版社, 2001.5康英军, 李为民. Hopfield 神经网络的防空火力最优分配问题J . 火力与指挥控制, 2003, 28(6 :35-37.图8比较了=0. 3时, 射流空化器和圆盘空化器产生的空泡外形的比较, 图8中, 粗实线为圆图8射流空化器和圆盘空化器空

17、泡外形的比较(s =0. 3盘空化器产生的空泡, 细实线为射流空化器产生的空泡。可见相同空化数下, 射流空化器产生的空泡尺寸比圆盘产生的空泡大得多。参考文献1Senocak I and ShyyW . A P ressu re 2Based M ethodfo r T u rbu len t Cavitating F low Compu tati on s J .J of Comp Physics , 2002(176 :363-383. 2Song C C S and H e J . N um erical Si m u lati on ofCavitating F low s w ith

18、a Single 2Phase A pp roach C . P roceedings of 3rd In ternati onal Sympo sium on Cavitati on , Grenob le , F rance , 1998. 3Kunz R F , Boger D ,. Stineb ring D et alAP reconditi oned N avier 2Stokes M ethod fo r Tw o 2phase F low s w ith A pp licati on 849-975. 4M erk le C L ,Feng Jand BuelowPE O .Compu tati onalM odeling of the D ynam ics of Sheet Cavitati on C . P roceedings of 3rd In ternati onal Sympo sium on Cavitati on