非穩態超空泡流動的數值模擬

【裝備理論與裝備技術】

非穩態超空泡流動的數值模擬

趙怡，劉平安，苗成林

(哈爾濱工程大學 航天工程系，哈爾濱150001)

摘要：采用理論分析和數值模擬相結合的方法，對水下超高速運動體自然空化形成超空泡形態問題展開研究。分析了水下超高速運動體在不同速度下超空泡形態的變化規律，比較不同速度下空泡脫落計算結果的異同。通過數值模擬，驗證了LES數值模擬與試驗結果的關系，以及評估非穩態空泡流的計算模擬能力。

關鍵詞：多相流模型；超空泡；LES模型

收稿日期：2014-08-29

基金項目：中央高?；究蒲谢?HEUCFD1404)

作者簡介：趙怡(1990—)，女，碩士研究生，主要從事固體火箭發動機燃燒、流動及內彈道研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.018

中圖分類號：TV131.3+2

文章編號：1006-0707(2015)01-0064-04

本文引用格式：趙怡，劉平安，苗成林.非穩態超空泡流動的數值模擬[J].四川兵工學報，2015(1):64-67.

Citationformat:ZHAOYi,LIUPing-an,MIAOCheng-lin.NumericalSimulationofUnsteadyCavitatingFlow[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):64-67.

NumericalSimulationofUnsteadyCavitatingFlow

ZHAOYi,LIUPing-an,MIAOCheng-lin

(CollegeofAerospaceandCivilEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:The supercavity form which is formed by the natural cavitation of the ultra-high-speed underwater moving body was researched by using the method of the combination of theoretical analysis and numerical simulation, which aims to study the motion state of the supercavity form and to compare the similarities and differences of the vacuoles off calculations at different speeds. The relationship between LES simulation and experimental results was verified by using the method of numerical simulations to assess the capacity of numerical simulation of unsteady cavitating flow.

Keywords:multiphaseflowmodel;supercavitation;LESmodel;

發展水中高速兵器的關鍵在于大幅減少兵器的運動阻力，水中運動阻力可以分為壓差阻力與黏性阻力，為減小壓差阻力可以優化運動體外形[1]。因黏性阻力占總阻力的大部分，所以減小黏性阻力至關重要，其方法有很多，如在運動介質中增加高分子溶劑、吸出或吹出邊界層、采用柔性壁面、利用減阻涂層、安裝順流肋條、調節壁面溫度等，但這些方法十分有限，目前水下減租最有效的方法就是采用超空泡技術[2]。

對水下運動體來說，人工通氣超空泡運動的減阻，在數量上要低于自然汽化超空泡運動的減阻。隨著超空泡技術的不斷發展和完善，可大大提高潛水艇、艦只等的航行速度[3]。我國對模擬空泡多相流模型已做了許多研究，探討了軸對稱體超空泡流動問題[4]。

1數值模擬

空泡流動主要為湍流運動[5]，模擬湍流運動采用的是LES模型[6]，壓力梯度采用PRESTO!格式離散，動量方程的差分格式采用中心差分格式，壓力-速度耦合采用PISO算法。研究基于Mixture多相流模型，并結合輸運方程，用簡單幾何外形的水下航行體模型，數值模擬非穩態超空泡流動現象。

2非穩態超空泡數值研究

2.1主要內容

采用Mixture兩相流模型模擬軸對稱運動體在不同速度下的超空泡流。目的是分析在不同速度的情況下，超空泡形態的變化和超空泡內部參數的變化規律，進而分析空泡脫落現象。空化泡是液體流動在一定壓力和一定溫度下發生的汽化或氣化現象，前者稱為含汽型空化泡，后者稱為含氣型空化泡，并統稱為空化泡，常簡稱為空化或空泡。空化是水流或液流在低壓處突然發生的空泡(汽化或氣化空穴)現象。

空化數

(1)

式中：p∞為參考流體的絕對壓力；pv為液體的汽化壓強；U∞為參考流體的運動速度；ρ為液體密度。

流體物性參數：水的汽化壓強pv=3 540Pa，參考流體的絕對壓力p∞=101 325Pa，液體密度ρ=1 000kg/m3。運動體在不同速度下通過式(1)可計算出空化數，通常，自然超空泡流的產生要求自然汽化空化數小于0.1。

2.2建模

本文主要研究的是細錐形航行體的超空泡流動，因航行體為軸對稱運動體，所以把模型簡化為二維模型。彈體長l=1.2m，直徑d=0.1m，采用如圖1所示矩形結構化網格對流場計算域進行劃分，并按需求對彈體進行局部網格加密，情況如圖2，外流場長為12m。

圖1　運動體整體尺寸

圖2　模型局部網格劃分情況

2.3數值計算

速度入口參數設置如表1所示。

表1　速度入口參數設置

2.4數據處理

2.4.1開始階段

1) 算例1

圖3為運動體速度為80m/s時，空泡形成初期，不同時刻的外流場密度云圖。觀察圖片發現，空泡從形成開始逐漸變長，隨時間的增加達到一定長度后開始脫落，脫落從空泡尾部較快完成。

2) 算例2

圖4展示的是運動體速度為100m/s時，空泡形成初期，不同時刻的外流場密度云圖。觀察圖片發現，與上一算例相同空泡也出現拖尾現象，脫落從空泡尾部較快完成第一次脫落。但是緊接著出現了二次脫落，使空泡又一次變短。

圖4　空泡脫落過程云圖

3) 算例3

經觀察發現，速度為130m/s時的空泡脫落現象比1、2算例更明顯(見圖5)。仔細觀察可以發現圖5(c)也發生了二次脫落，且脫落時間更短才使得脫落現象明顯。本次模擬與實驗[9]結果吻合較好，說明大渦模擬的方法有效。

圖5　空泡脫落過程云圖

把圖3(e)、圖4(e)和圖5(e)進行比較，可以發現速度越大，脫落后的空泡長度越短，即在空泡上發生斷裂的部位越靠前。在這3個算例中，速度越大脫落得越快，實驗中加速時尾部空泡脫落實照如圖6所示。

圖6　實驗中加速時尾部空泡脫落實照

2.4.2穩定階段

以上3個算例在接下來的一段時間內均無明顯的脫落現象，雖然空泡的長度始終不穩定，但變化不大，可近似穩定狀態。在彈身后方軸線上和非軸線上分別取兩點1、2，計算中監測兩點的壓力和速度(見圖7～圖10)。

圖7　點1軸向速度-時間圖

圖8　點1空化數-時間圖

圖9　點2軸向速度-時間圖

圖10　點2空化數-時間圖

經過觀察發現，水和空氣在流體黏性、壁面效應等因素的作用下不斷地進行無規則運動，各處的壓力和速度隨著時間而不斷地發生改變，速度和壓力沒有一定的變化規律，且波動較大。

3結論

采用CFD軟件FLUENT，基于Mixture多相流模型，湍流輸運方程和各相的連續性方程，數值模擬了超空泡的復雜流動現象。

本文就非穩態超空泡的流動情況進行模擬，用大渦模擬的方法，通過不斷地修改嘗試， 1.2m的彈體模型的數值模擬計算結果與實驗數據吻合較好。經比較發現，空泡脫落現象只明顯地發生在初始階段，且速度越大脫落的時間越短，也越明顯。脫落之后，空泡又重新生長，之后保持較穩定的狀態，沒有周期的規律可循。若進一步降低彈體速度可能不會形成超空泡。3個算例的空化數均小于0.03，完全可以形成超空泡，且在形成過程中初始階段都有空泡脫落現象。而在實際水下發射魚雷，周圍環境復雜，稍有一點擾動對彈體就有很大的影響，使水下航行體不斷地加速減速。所以實際上空泡的脫落現象時刻存在。這一論題的研究也十分重要。

參考文獻：

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[2]王獻孚.空化泡和超空化泡流動理論及應用[M].北京：國防工業出版，2009：1-195.

[3]趙衛.超空泡高速魚雷技術綜合分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

[4]楊洪瀾.非定常超空泡繞流研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2007.

[5]褚學森,王志.自然空化流動數值模擬中參數取值影響的研究[J].船舶力學,2007,11(1):32-39.

[6]RodiW.ComparisonofLESandRANScalculationsoftheflowaroundbluffbodies[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1997,69-71:55-75.

[7]KolmogorovAN.ThelocalStructureofTurbulenceinIncompressibleViscousFluidforveryLargeReynoldsNumbers[J].Dokl.Akad.Nauk.SSSR,1941,30(4):299-303.

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[9]熊永亮.水下高速航行體超空泡減阻特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

[10]郭小飛，劉平安， 時文，等.水下超高速運動體人工通氣流動過程研究[J].四川兵工學報，2014(6):6-8.

(責任編輯周江川)