基于6DOF超空泡射彈減阻性能分析*

張學偉,李 強,黃 嵐

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

基于6DOF超空泡射彈減阻性能分析*

張學偉,李 強,黃 嵐

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

為了研究射彈運動過程中的空泡形態(tài)和減阻性能,基于Rayleigh-Plesset單一介質(zhì)可變密度混合多相流模型和6DOF動網(wǎng)格技術,利用Fluent14.0對帶圓錐空化器射彈進行了數(shù)值研究。分析了超空泡射彈在運動過程中空泡的形成和潰滅過程、射彈的彈道及與全沾濕下射彈速度衰減對比。結(jié)果表明隨著射彈的運動,彈后空泡逐漸潰滅,射彈有上浮趨勢,且射彈減速度逐漸減小,與全沾濕相比,超空泡減阻率高達70.1%。該結(jié)果對研究動態(tài)超空泡提供了一定的理論依據(jù)。

超空泡;減阻;動網(wǎng)格;六自由度方程

0 引言

水下作戰(zhàn)有很強的隱蔽性,特別是蛙人、水雷、魚雷等破壞力極強的特種作戰(zhàn)人員和水中兵器,對港口、艦艇、潛艇、近水面飛行的飛機有很大的威脅。超空泡射彈成為防御的主要手段之一。

近些年,隨著許多專家學者對超空泡減阻性能的研究,證實了超空泡在提高射彈的運動速度和距離有很大的作用。易文俊、熊天紅[1-3]等人利用Fluent6.2的混合多項流模型對水下射彈進行數(shù)值計算,得到了水下射彈運動形成空泡形態(tài)和對減阻特性分析;張宇文、袁緒龍[4-6]等人對水下航行體的空泡形成機理進行了數(shù)值仿真研究和試驗研究,為超空泡研究提供了理論基礎。

從目前所收集的資料中看,理論公式無法滿足對運動射彈流體動力及空泡形態(tài)預報的要求,且大多數(shù)文獻僅限于在對射彈不動的情況下進行數(shù)值仿真和實驗研究,有關射彈水下自身運動的研究文獻較少。文中運動FLUENT軟件結(jié)合6DOF方程對水下運動射彈進行數(shù)值仿真,得到擬真實環(huán)境下射彈水下運動及減阻性能,為超空泡射彈的研究提供一定的理論支持。

1 控制方程和數(shù)值模型

1.1 控制方程

FLUENT將多相混合介質(zhì)看作為變密度的單流體,各相擁有相同的速度和壓力,在不考慮多相間相對滑移速度的基礎上,FLUENT基于不同模型對單流體求解計算連續(xù)方程、動量方程[7]。

連續(xù)方程:

(1)

動量方程:

(2)

1.2 空化方程

空泡的形成是由于水下航行體表面的靜壓下降到了該溫度下的飽和蒸汽壓以下,這時空穴會產(chǎn)生并長大發(fā)育成超空泡。而當溫度下降以后,超空泡內(nèi)的汽相反而汽化液,由汽相變?yōu)橐合?而在該過程中會釋放熱量,FLUENT在各種假設下模擬超空泡流動,不考慮蒸發(fā)潛熱的影響,認為是在等溫過程下完成的,在考慮壓力p、氣泡容積φ影響下的Rayleigh-Plesset方程為:

(3)

式中:pB為空泡內(nèi)的壓力,是蒸汽壓力pv與非凝結(jié)氣體分壓力p之和;σ表示表面張力系數(shù)。

FLUENT模擬計算氣穴成長、破裂過程的函數(shù)為:

(4)

1.3 6DOF模型

FLUENT軟件提供了6DOF求解器,通過確定質(zhì)心的位置和剛體運動方向,使用UDF定義質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量,根據(jù)力的平衡計算出加速度和位移等。每一個計算步的質(zhì)心的位置和剛體的運動方向均根據(jù)上一步的位置和運動方向計算得到[8]

(5)

2 計算模型和數(shù)值方法

2.1 計算模型

射彈模型如圖1所示,整個射彈直徑為30 mm,長度為198 mm,頭部為圓錐型空化器,圓錐角為100°,彈重138 g。

圖1 射彈模型示意圖

仿真的整個計算域如圖2所示,由于網(wǎng)格劃分的數(shù)量和質(zhì)量直接影響計算精度和計算過程的收斂性。為了提高計算精度,節(jié)約計算成本,需要對復雜結(jié)構的網(wǎng)格進行分塊分類劃分,圓形區(qū)域的劃分是為了網(wǎng)格加密,如圖3所示。

由于采用6DOF控制方程控制射彈運動,該計算必須使用網(wǎng)格更新的方法。FLUENT軟件中有3種動網(wǎng)格模型,分別是彈簧光順法、動態(tài)層法和局部網(wǎng)格重構法[7]。本仿真中由于網(wǎng)格劃分為三角形網(wǎng)格,需要進行網(wǎng)格重構,則采用了彈簧光順法和局部網(wǎng)格重構法進行網(wǎng)格變形處理。

圖2 整個計算域示意圖

圖3 網(wǎng)格劃分局部放大圖

2.2 邊界條件

整個計算模型上邊界采用壓力出口邊界條件,出口壓力值設為19 564.72 Pa(2 m水深壓強),其他3個邊界為固壁邊界條件,彈體表面設置為無滑移壁面,射彈初速為900 m/s,環(huán)境壓力為101 325 Pa。

2.3 數(shù)值方法

對計算模型采用基于壓力法的有限體積法求解;多相流模型采用混合多相流;打開重力模塊,設置重力加速度為9.8 m/s2;壓力與速度之間的耦合求解采用PISO算法,空間離散采用二階迎風格式,時間離散采用一階隱格式。

3 仿真結(jié)果與分析

圖4為射彈開始運動0.1 ms時超空泡初始形態(tài),射彈在靜止的水域內(nèi)運動,由于射彈以890 m/s速度運動,帶動彈體周圍的水以高速運動,根據(jù)伯努利方程可知,水由靜止突然高速運動,勢必使彈體周圍的壓力下降,當彈體周圍的壓力下降到當?shù)氐娘柡驼羝麎簳r,水開始汽化,形成超空泡包圍整個射彈,圓錐空化器附近的水流速度滯止為0,形成高壓區(qū),無法降到飽和蒸汽壓力以下,故圓錐空化器附近的水不能汽化,使其與水完全接觸。隨著射彈繼續(xù)向前運動,彈體在新的水域內(nèi)不斷產(chǎn)生超空泡,彈后空泡隨著水流速度的降低,開始出現(xiàn)變大潰滅現(xiàn)象,同時在浮力的作用下,出現(xiàn)上浮如圖5所示。這完全與實驗射擊時拍攝的一長串白色氣泡冒出水面相吻合。

圖6為射彈在全沾濕和空化情況下,射彈速度衰減圖。從圖中可以看出,超空泡的形成使其減阻性能提高了很多。在空化情況下,射彈沿軸向的運動呈加速度逐漸減小的變減速運動,從圖7可以看出,射彈在空化狀態(tài)時運動到6 m時,速度衰減到453.4 m/s,而假設全沾濕時,射彈在軸線運動5 m時速度已經(jīng)衰減到了276.9 m/s,可見射彈在形成空化時不但速度衰減的比較緩慢而且有效殺傷距離大大增加。通過計算加速度,可以得到空化時的最大加速度為81 152.3 m/s2,而全沾濕的最大加速度為138 058 m/s2由此可以得到減阻率高達70.1%。

圖4 射彈空泡初始形態(tài)

圖5 射彈運動10 ms時空泡形態(tài)

圖6 全沾濕與空化速度衰減對比圖

圖8為射彈質(zhì)心運動軌跡,從圖中可知,隨著射彈沿軸線運動的同時,射彈出現(xiàn)了上浮趨勢。圖9為射彈徑向位移曲線,射彈在水中由于受到重力和浮力的作用,彈體周圍的空泡對射彈作用,使其上浮,隨著射彈軸向運動,射彈的徑向上浮速度逐漸增大。射彈的上浮勢必使其偏離彈著點從而影響射彈的射擊準確度。

4 結(jié)論

文中基于Rayleigh-Plesset單一介質(zhì)可變密度混合多相流模型和6DOF動網(wǎng)格技術,從擬真的情況下對擬真環(huán)境超空泡射彈空泡形態(tài)和減阻性能展開研究。分析了擬真環(huán)境下超空泡射彈的空泡形成及潰滅過程、射彈的彈道及與全沾濕下射彈速度衰減對比。結(jié)果表明射彈開始運動時,彈體周圍可以形成包裹射彈的超空泡,隨著射彈的運動,彈體周圍超空泡不會消失,而彈后空泡逐漸變大潰滅。射彈在水中的彈道呈上浮趨勢,且射彈的運動呈現(xiàn)加速度逐漸減小的變減速運動,與全沾濕相比,超空泡減阻率可達70.1%。

圖7 全沾濕與空化速度位移變化曲線

圖8 射彈質(zhì)心運動軌跡

圖9 射彈徑向位移變化曲線

[1] 熊天紅, 李鐵鵬, 易文俊, 等. 水下高速射彈超空泡形態(tài)與阻力特性研究 [J]. 彈道學報, 2009, 21(2): 100-102.

[2] 熊天紅, 易文俊, 劉怡昕, 等. 小攻角對水下超高速射彈空泡形態(tài)的影響 [J]. 彈道學報, 2008, 20(3): 71-74.

[3] 易文俊, 王中原, 熊天紅, 等. 水下高速射彈超空泡減阻特性研究 [J]. 彈道學報, 2008, 20(4): 1-4.

[4] 袁緒龍, 張宇文, 劉樂華, 等. 水下航行體通氣超空泡形態(tài)實驗研究 [J]. 應用力學學報, 2004, 21(3): 33-37.

[5] 袁緒龍, 張宇文, 楊武剛. 高速超空化航行體典型空化器多相流CFD分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2005, 25(1): 53-55.

[6] 張宇文, 袁緒龍, 鄧飛. 超空泡航行體流體動力學 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2014.

[7] 唐家鵬. FLUENT14.0超級學習手冊 [M]. 北京: 人民郵電大學出版社, 2013: 15-19.

[8] 隋洪濤, 李鵬飛, 馬世虎, 等. 精通CFD動網(wǎng)格工程仿真與案例實戰(zhàn) [M]. 北京: 人民郵電大學出版社, 2013: 91-92.

Analysis of Drag Reduction on Super-cavitation Projectile Based on 6DOF

ZHANG Xuewei,LI Qiang,HUANG Lan

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to study cavity shape and drag reducible characteristics of supercavitation projectile movement, based on mixture model of a single-fluid with variable density and Rayleigh-Plesset equation and 6DOF dynamic mesh technology, According to software FLUENT14.0, cone cavitation of projectile numerical was studied. Cavity formation and collapse process in movement, ballistic projectile and projectile velocity and attenuation under full wet contrast were analyzed. The results show that with movement of projectile, the cavity after projectile breaking, the projectile tends to be rising, the projectile deceleration decreases. Compared with full wet, supercavitation drag reduction rate gets up to 70.1%. The results provide certain theoretical basis for researching dynamic supercavitation.

supercavitation; drag reduction; dynamic mesh; 6DOF

2015-11-04基金項目:基礎科研基金(A0820132003)資助

張學偉(1990-),男,山東德州人,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)分析和流場仿真分析。

O351.3

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