超空泡形态下高速射弹的阻力特性

超空泡形态下高速射弹的阻力特性

超空泡沫武器是20世纪末出现的一种新型高速水下武器。随着俄罗斯超空泡沫鱼雷“风神”的出版，超空泡沫减少法成为各国之间相互支持的热点。水下射弹在超空泡流动模式下,射弹表面的绝大部分只与空泡内水蒸汽接触,由于水蒸汽的运动粘性系数要比水的运动粘性系数低1个―2个数量级,因此可实现大幅度减阻,大大提高射弹的运动速度和距离。在高速射弹的空泡特性研究方面,俄罗斯和乌克兰开展了大量基础性工作[1―4]。我国关于水下航行体的空化问题研究已有一段历史,特别在航行体空泡形态、水动力特性和减阻特性方面也开展了大量的试验和数值研究工作[5―9],但基本上都是针对低流速和人工通气超空化。但在水洞通气试验过程中空泡的形态和测试系统都受到支撑系统的影响,使得很难准确模拟超空泡航行体的水动力特性。与水洞试验相比,射弹试验较容易实现水下航行体的高速运动,是研究超空泡发展变化规律及其减阻特性等超空泡基础性问题的有效手段。本文针对带圆盘形空化器的射弹,设计了多种外形结构,进行了高速航行射弹的水靶道试验,分析了空化器直径、弹体长径比、空化数对射弹阻力系数的影响,并利用CFD商业软件Fluent6.2对射弹阻力系数进行数值模拟,并对超空泡的减阻率进行了探讨。1对阻力特性的研究1.1靶道地面炮安装实验工作是在某大学水靶道中完成的,水靶道长100m、宽4m、水深2.5m,靶道端部有火炮安装架,可安装小口径火炮,靶道底面和两边采用防护措施,保障射弹发射的安全性。在靶道上测速点处安装水下光幕靶测速系统,并采用时间测试仪完成弹丸穿越探测区光幕的时间采集及记录,测速原理如图1所示。1.2弹体直径和全弹长试验模型采用前段圆盘空化器和后段圆柱体组成,其简图参见图3。Dn为空化器头部直径,Ln为弹头部长,LC为弹体圆柱部长,Dm为弹体直径,试验中所有模型的弹体直径为Dm=30mm,LB=Ln+LC为射弹全长。模型M1―模型M3空化器直径Dn依次为5mm、4.2mm、2.8mm,全弹长LB=150mm,弹头部长Ln=130mm;模型M4空化器直径Dn=2.8mm,全弹长LB=240mm,弹头部长Ln=220mm。1.3空化数、空化器直径、长径比对射弹阻力特性的影响射弹水下靶道的试验测量点布置如图3所示。火炮安装在水靶道的端面,炮口距水靶道顶面0.5m,采用密封技术防止水倒流入炮管。发射后,射弹进入光电测速靶区域后,触发光电测速靶启动工作,并测量出射弹的航行速度,在炮口和距炮口20m处(测试点)布置了光电测速靶,在距炮口50m处,布置防护钢板回收射弹。试验中主要考虑了射弹空化数、空化器直径、射弹长径比对射弹阻力特性的影响,设计了相应的方案来实施试验。1)空化数对射弹阻力特性的影响。空化数的定义为:σ=2(P∞-P0)/ρV2,P∞为水靶道内射击平面的水压力,P0为射弹表面饱和蒸汽压力(取P0=2350Pa),ρ为水的密度,V为射弹航行速度。在试验中,通过改变射弹航行速度V来改变空化数,对M1模型弹、M2模型弹,进行了初速度V0≈900m/s和初速度V0≈500m/s各2发试验,在2个光电测速靶处实测出射弹的航行速度,通过试验数值处理获取射弹的阻力系数,比较分析空化数对射弹阻力特性的影响。2)空化器直径Dn对射弹阻力特性的影响。对模型M1(Dn=5mm)通过初速度V0≈900m/s发射进行水靶道试验,获取相应模型的阻力参数,与M2(Dn=4.2mm)初速度V0≈900m/s的试验结果进行比较分析。3)射弹长径比(LB/Dm)对射弹阻力特性的影响对模型M4通过初速度V0≈900m/s发射进行水靶道试验,获取相应模型的阻力参数,与模型M3初速度V0≈900m/s的试验结果进行比较分析。1.4弹簧最大横截面积试验根据试验方案,共进行了6发射弹的水下航行试验。通过数据拟合方法,处理出射弹水下运动的平均阻力系数,阻力系数定义:cx=D/0.5ρV2S,D为射弹水中航行所受到的阻力,S以弹丸最大横截面积(πDm2/4)为参考面积,试验结果见表1。1)根据射弹序号D1、D2或D3、D4的试验结果,在小空化数下(σ<10-3),空化数对射弹的阻力特性影响很小。2)根据射弹序号D1、D3的试验结果,空化器直径对射弹的阻力特性有较大的影响,空化器直径越大,阻力系数增大。3)根据射弹序号D5、D6的试验结果,射弹的长径比对阻力特性有较大的影响,增大射弹的长径比,射弹的阻力系数将显著减小。得到上述实验结果后,本文将采用数值方法进一步研究射弹空化器直径、射弹长径比对阻力系数的影响,以及高速射弹的超空泡减阻能力。2对抗阻力特性值的模拟研究2.1质量输运的数学模型在Fluent软件中,采用基于Rayleigh-Plesset方程的气泡两相流模型来模拟水下航行体的空泡流动,将水/汽两相混合流作为密度可变的单一流体来处理,混合流之间不存在分界面,整个混合物允许相互对流,对混合物的连续方程和动量方程进行求解。混合相的连续方程:其中:ρm=αvρv+(1-αv)ρl,为混合相的流体密度,αv、1-αv分别为汽相和液相所占的体积分数,ρv、ρl分别为汽相和液相的密度;vm是质量平均速度;是由于空化等原因引起的质量输运。混合相的动量方程:式中:µm为混合相的粘度;g为重力加速度。汽相的体积比方程(空泡模型):其中:φ是单个空泡的体积,它随时间和空间而变化,φ(r,t)=(4/3)πR3,R为气泡半径。定义蒸汽的体积分数αv=ηφ/(1+ηφ),η为流体体积单元内的空泡个数。湍流模型选择了标准k-ε两方程模型,并采用非平衡壁函数(Non-EquilibriumWallFunctions)处理近壁区域。2.2全湿流状态的超空泡仿真根据实验结果可知,空化器直径以及射弹长细比对射弹阻力系数有明显影响,射弹的阻力包括压差阻力Cp和粘性阻力Cf两部分,压差阻力主要取决于射弹头部和尾部的流场压力差,以及射弹的横截面积,而粘性阻力与射弹表面积及其粘湿介质的密度有关。图4给出了不同射弹模型压差阻力系数与粘性阻力系数的数值仿真结果,由图4可以看出,模型M1和模型M2完全处于蒸汽超空泡时,射弹的压差阻力系数随头部空化器直径的增加而增大,如图4(a)。这主要是由于射弹M1头部空化器的直径较大,所产生超空泡的厚度也就越大,过厚的超空泡在降低射弹的粘性阻力系数的同时大幅度增加了射弹的压差阻力,造成射弹阻力系数的增加。从图4还可以看出,由于模型M3、模型M4头部空化器直径相同,射弹所受压差阻力差别不大,射弹的长径比则主要对其粘性阻力系数有较大影响,如图4(b)。从图4(b)可以看出,模型M3的粘性阻力系数最大。这是因为射弹头部空化器直径较小,此时射弹已不能形成超空泡,射弹一部分与水接触,形成局部稳定空泡。图5给出速度v=900m/s下,模型M3、模型M4弹体表面的含气率,由图5也可以看出,模型M3后体空泡含气率低于50%,表明弹体并没有完全被超空泡覆盖,由公式ρm=αvρv+(1-αv)ρl可知,由于射弹表面的流体密度增大,使得射弹的粘性阻力所占总阻力份额增加。因此空化器的直径在设计上过大或者过小,都不利于超空泡减阻效果的实现。一般情况下,为获取理想减阻效果的超空泡,应使超空泡的界面与射弹壁面之间的空隙尽量小,空化器直径的选择应该根据射弹的航行速度也就是自然空化数来决定,自然空化数越小,应选择的空化器直径就可以越小,同时应当兼顾空化器直径对稳定超空泡形成以及射弹稳定性的影响来选择。模型M4增加了射弹的长径比,使得射弹完全内接于蒸汽超空泡内,显著改善弹体表面空泡内的含气率αv(图5),这使得其粘性阻力系数大幅减小,从而获取较小的阻力系数。从理论上分析,超空泡技术的应用使得航行体与水相隔离从而大幅度减小粘性阻力,所以超空泡的减阻效果不但与超空泡的形态有关,与摩擦阻力在水中的阻力所占的比例有直接关系。摩擦阻力和压差阻力各自所占的份额与航行体的长径比有直接的关系,长径比越大,摩擦阻力所占总阻力的份额就越大,则超空泡的减阻空间就越大。因此,航行体的长径比与头部空化器直径存在最佳比例关系,这对射弹水下航行有重要意义。表2给出了4种模型的全湿流状态和超空泡状态(v=900m/s)的阻力系数仿真结果,其仿真结果略小于试验数据(表1)。这主要是由于射弹在与水接触时,弹体会产生对水的撞击作用,由于撞击力很大,且持续时间很短,会改变弹体的入水速度;其次是射弹航行是减速过程,速度太快,而数值仿真是稳态过程,因而造成理论与实际结果有一定的误差。从表2可以看出超空泡能显著减小了全粘湿流下的射弹的阻力系数,射弹减阻率达到97%以上(模型M3除外)。SavchenkoYuN通过计算认为:当速度等于100m/s和空化数σ=0.01时,可获得20倍利益;当空化数σ=10-4时,可获得1000倍利益。通过试验与数值模拟分析验证了:在超空泡形态下,细长体的超空化减阻率可达97%,超空泡技术是一种可以使水下高速运动物体获得95%以上减阻量的减阻技术。3空化数对超空泡高速射弹阻力特性的影响通过