水下射弹自然超空化流动特性研究

水下射弹自然超空化流动特性研究

0超空泡减阻技术超空泡沫武器是20世纪末出现的一种高速水下武器。水下航行体在超空泡流动模式下,航行体表面的绝大部分只与空泡内水蒸气接触,由于水蒸气的运动粘性系数要比水的运动粘性系数低1～2个数量级,因此可实现大幅度减阻,大大提高航行体的运动速度和距离。随着俄罗斯超空泡鱼雷“疾风”的问世,超空泡减阻技术已经对海战武器的研制产生巨大影响。目前,美、德、英、法等国都在进行超空泡减阻技术的基础与应用研究,力争尽早研究出高速超空泡武器,掌握未来海上战争的主动权。超空泡主要分为通气超空泡和自然超空泡2种,前者依靠人工通气增加空泡内压强生成超空泡,后者是航行体在水下高速运动时能够自身形成超空泡。空化器的形状很大程度上决定了超空泡武器产生空泡的难易程度,以及所产生的空泡形态。长期以来,国内外学者对空化器作了大量的实验研究,从而提出了许多不同形状的空化器,如圆盘、圆锥、齿轮状圆台、有刻面的凹孔以及圆形套筒等。美国海军水下战中心(NUWC)尝试了大量形状各异的空化器,最终归结为2种设计方案:圆锥体头部方案和圆盘头部方案。本文利用Fluent软件,分析了带圆盘与圆锥空化器头部2种水下高速射弹模型所产生自然超空泡的形态特性,采用非定长求解器,通过自定义函数对水下高速圆盘空化器头部射弹空泡流发展过程进行了数值仿真研究。1数学模型1.1密度分散系数的求解在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为混合相的混合密度;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为质量平均速度;为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为单个空泡的体积,随时间和空间而变化,为气泡半径。定义蒸汽的体积分数αv=nϕ/(1+nϕ);n为流体体积单元内的空泡个数。空泡的膨胀和收缩由Rayleigh-Plesset方程给出,该方程把压力与空泡的体积联系在一起,见下式:。(4)式中:pB为空泡内的压力;σr为表面张力系数。1.2u3000平均速度梯度水下射弹空泡流动模拟引入了标准的k-ε混合湍流模型:。(5)式中:μt为湍流粘度,;Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能,Gk=2μtue84aSymbolQCpv;σk,σε分别为k和ε的Prandtl数,模型中的各常数取值:σ1ε=1.44,σ2ε=1.92,cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。采用非平衡壁函数(Non-EquilibriumWallFunctions)处理近壁区域。2数值模拟方法与计算结果分析2.1流场的数值计算图1为水下高速带圆锥空化器和圆盘空化器头部射弹模型.圆锥空化器锥角120°,空化器直径Dn=2.8mm,全弹长LB=240mm,弹头部长Ln=220mm,圆柱部长Ld=20mm,弹体直径Dm=30mm,计算条件为水深H=10m,航行初速v0=500m/s。由于弹体为二维轴对称模型,对于零攻角空泡流的数值模拟,流场可做对称性假设,采用二维轴对称定常求解器进行计算,计算域可选实际流场的一半,流场的外边界为150mm×3600mm。入口边界采用速度入口,出口边界给定压强,结合给定的湍流参数求解一个相间无滑流速度的均匀多相流问题。对于上述计算模型采用有限体积法求解,空间离散采用二阶逆风差分格式,压力与速度之间的耦合求解采用SIMPLE算法。2.2盘空化器模型仿真流体力学中用空化数表征空化特性,其中p为外压,pc为空泡内压,对于自然超空泡,空泡内压力可以近似认为等于水的饱和蒸汽压力pc=2350Pa,ρ为水的密度,v为物体速度。自然超空泡基本形态为回转椭球体,其尺寸通常采用无量纲相对长度Lc/Dn和相对直径Dc/Dn作为超空泡的几何特征量来描述。图2和图3给出了不同空化数下,120°圆锥空化器和圆盘空化器的超空泡相对直径与相对长度随空化数变化曲线,并将圆盘空化器模型的仿真结果与SCVA软件计算结果相比较,二者基本符合,验证模型的精确性。文中SCVA软件是由乌克兰国家科学院力学研究所,根据大量有关超空泡模型自由运动(V=50～1400m/s,相应空化数σ=1.4×10-4-10-2)实验材料开发的计算软件,该程序可以按照给定的参数绘制超空泡形态。根据图2和图3的仿真结果可以看出:1)在相同空化数和空化器直径条件下,圆盘空化器比120°圆锥形空化器产生的超空泡相对直径与相对长度要大,所以一般认为圆盘空化器要比圆锥空化器的空化性能好,带圆盘空化器头部射弹更容易形成超空泡。2)超空泡的尺寸变化主要取决于空化数的大小,超空泡相对直径、相对长度随空化数的增加而减小。Reichardt认为,轴对称超空泡长度与最大直径的比值与空化器的形状无关,只是空化数的函数。图4给出带圆盘空化器头部射弹模型所产生超空泡的长细比随空化数的变化曲线。由图4可知,超空泡的长细比随空化数增加而减小。在文献中,超空泡的长细比也称为其形态的优良率,Lc/Dc值越大,超空泡形态就越好,减阻效果就最好。由此可见,空化数越小,超空泡的减阻效果也就越好。2.3空泡形态变化的表现采用Fluent软件的自定义函数,将边界条件中的来流速度改为时间速度的函数,并采用二维非定长求解器,模拟了空化性能较好的圆盘空化器头部射弹在水下高速航行过程中超空泡的变化发展过程。图5为射弹模型航行速度随时间变化的数据(由乌克兰国家科学院流体力学研究所开发的软件SCAV计算)。自然超空泡的形成与发展主要是由于射弹航行速度的降低而增加了空化数,使得超空泡轮廓的减小。图6给出了射弹模型在高速下超空泡发展变化过程。从图6中可看出,射弹在高速航行时瞬间形成稳定空泡流,弹体表面包裹着一层薄薄的汽泡,弹尾被一个拖曳状的巨大的椭球体汽泡包围着,流场出现较大稳定的空化区域,射弹处于超空化状态。表1给出了水下射弹航行中的运动参数和超空泡形态参数的仿真结果。从表中可见,高速航行的射弹所形成稳定超空泡的主要特点是其长细比非常高。随着射弹在水下航行速度的急剧递减,超空泡几何外形迅速减小,其中超空泡的长度比最大直径的递减更为明显。图7给出了空泡的几何特性的意义,h为空泡厚度,h是根据α=0.5的等体积含量线来确定。图8为射弹速度V=492m/s,333m/s,276m/s时,射弹表面空泡厚度的仿真结果。由图8可见,在整个稳定超空泡的运动状态中,一直维持射弹完全处于超空泡范围内。随着射弹速度的递减,射弹表面的空泡厚度不断减小,射弹头部空泡厚度略有增大后又逐渐减小,这主要是由弹体头部直径逐渐增加,造成空泡厚度的相对减小;在弹体圆柱部处,由于直径没有变化,空泡厚度又略有回升。可以预见,如果射弹的速度继续降低,射弹表面的空泡将不能包裹住弹体表面,超空泡开始剥离脱落。由于超空泡的溃灭、消失,从而导致射弹的失稳。3空化气用量对超空泡的影响通过对高速射弹自然超空泡形态的数值模拟研究,可以得到以下结论:1)在相同空化数和空化器直径条件下,带圆盘空化器头部射弹比带圆锥空化器头部射弹产生超空泡的相对直径与相对长度要大,所以一般认为圆盘空化器要比圆锥空化器的空化性能好,带圆盘空化器头形的射弹更有利于超空泡形成与稳定。2)超空泡的尺寸变化,主要取决于空化数的大小,超空泡的相对长