發射速度對航行體出水姿態影響數值仿真研究

劉可趙欣李智生

（1.91550部隊大連116023）（2.大連大學信息工程學院大連116622）

發射速度對航行體出水姿態影響數值仿真研究

劉可1趙欣2李智生1

（1.91550部隊大連116023）（2.大連大學信息工程學院大連116622）

水下航行體的出水過程是一個穿越不同介質面，運動速度等參數劇烈變化的非定常、非線性氣液兩相運動的過程。在此過程中由于發射速度的改變，將引起航行體流體動力及運動載荷的變化，從而影響水下航行體的出水姿態和空中飛行運動的穩定性。為了研究發射速度對航行體出水姿態的影響，基于CFD數值方法，在考慮自然空化條件下，對航行體水下及出水運動進行數值仿真，得到航行體出水姿態數據，在此基礎上，對相同發射深度下，不同發射速度航行體出水運動過程進行數值仿真，得出發射速度變化對航行體出水姿態影響，其研究結論為水下航行體出筒速度選擇提供了理論參考。

發射速度；數值仿真；出水姿態；動網格

Class NumberTP391

1 引言

氣體彈射方式垂直發射的水下航行體，一般可以將其水下發射過程分為三個階段：出筒段、水下段和出水段，其中以水下段和出水段最為重要，決定著水下航行體發射的成敗。作為重要發射條件之一的發射速度是指航行體尾部離開發射筒瞬間時，航行體的速度值。發射速度的改變，會引起水下航行體運動力學環境的變化。空泡的初生、發展及潰滅都會給航行體帶來一定的水動力載荷沖擊，引起航行體水下運動軌跡和出水姿態的改變，甚至會導致航行體水下發射失敗。因此，研究發射速度對航行體出水姿態的影響有著非常重要的意義［1～3］。本文運用CFD數值方法，在考慮自然空化條件下，對不同深度航行體出水運動過程進行數值仿真，研究發射速度變化對航行體出水姿態的影響。

2 CFD數值模型構建

2.1 多相流模型

考慮自然空化作用的水下航行體出水運動過程涉及汽、氣、液三相的混合流動，是一個多相流問題。在描述多相流的模型中，目前常用的有VOF和Misture兩種多相流模型［4～5］。

2.1.1 Misture多相流模型

Misture模型是一種簡化的多相流模型，引入滑移速度的概念，允許多相之間存在不同的運動速度，并假定各相之間相互滲透、相互慘混。該模型基于同性的RANS方程，將氣、汽、液多相組成的混合介質處理為一種相互貫通的變密度單流體，各相共享同一壓力場和速度場，引入相體積分數的概念得到描述多相流動的控制方程［6～8］。

混合物的連續性方程為

其中：vm是質量平均速度，ρm是混合密度，是第k相的體積分數，滿足條件

Misture模型的動量方程可以通過對各相動量方程求和得到，其表達式為

這里n是相數，F是體積力，μm是混合粘性；

vdr，k是第二相k的飄移速度：

2.1.2 VOF多相流模型

與Misture多相流模型不同，VOF多相流模型假定各相之間互不滲透，且存在清晰的交界面，是處理復雜自由表面的一種行之有效的方法。該模型雖然涉及多相流理論，然而并沒有采用復雜的多相流模型，與Misture模型類似，只是引入簡單的單流體模型，假定在同一控制體單元中，各相具有相同的壓力場和速度場，同時引入相體積分數的概念得到控制方程［9～10］

上式為連續性方程。整個計算域求解單獨的動量方程，各相共享求得的速度場。則動量方程通過物性參數ρ和μ由各相的體積分數決定。

近似共享同一個速度場的局限性在于：當各相之間存在較大的速度差時，交界面附近計算得到的速度的精度受到影響。

各相共享的能量方程為

為了保證多相流模型的使用能夠精確捕捉氣、水界面的復雜變化情況，保證計算過程的穩定性，針對水下發射過程不同階段的特點使用不同的多相流模型。在導彈的出筒段和水中運動段，主動通氣噴出并在導彈表面形成氣泡，氣、水界面劇烈變化但各相之間存在明顯的交界面，而VOF多相流模型在處理類似流動問題方面相當出色［11～12］，因此，在出筒段及水中段的計算過程中采用VOF多相流模型；在出水階段，存在空泡潰滅、水面突起和拉斷等現象，各相之間強烈摻混、交界面不清晰，Mixture多相流模型在處理此類離散多相流問題時具有優異的性能，因此，在導彈出水階段采用Mixture多相流模型，這種多相流模型選擇策略在計算過程中也得到了驗證。為了進一步增強計算過程的穩定性，將空氣設置為主相，水設置為次相。

2.2 網格劃分

根據實際航行體的尺寸，采用AUTOCAD等建模軟件建立本文數值計算的航行體幾何模型，并導入Fluent軟件包中前處理軟件Gambit進行計算域劃分及網格生成。網格總體劃分情況如下圖1所示，彈體近體網格劃分如圖2所示。

2.3 邊界條件設置

航行體出水運動數值仿真的邊界條件設置為：彈體表面設定為固體壁面條件（wall），計算域底部設定為固體壁面條件（wall），計算域兩側設置為對稱面條件（symmetry），計算域前部設置為速度入口（velocity-inlet），上部為壓力出口（pressure-outlet），出口壓力為大氣壓。湍流模型選用標準k-ε模型，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC格式。其中水氣交界采用VOF模型設置水體的區域，具體水面高度視所模擬的發射水深不同而做相應的改變。本文后續所做的模擬如不做特殊說明，網格的劃分和邊界條件的設定均采用與此相同的方案。

2.4 動網格控制

本文對航行體出水運動數值仿真中動網格的更新方法采用的是彈簧近似光滑方法［7］。該方法將整個流體計算區域分為兩大部分：一是不動網格區域（stationary zone），另一個是動網格區域（moving zone）。動網格設置的示意圖如圖3所示。

動網格采用Fluent自定義函數UDF驅動，UDF文件包括主要內容為：彈體運動控制、并行計算控制。為了更加真實地體現導彈的運動規律，建立導彈運動的動力學方程來控制彈體運動。

3 航行體在不同發射速度出水運動過程數值仿真

3.1 數值計算方案

為了更好地研究發射速度變化對彈體出水姿態的影響，計劃在相同發射深度下計算三種發射速度彈體出水運動過程，進而系統研究發射速度變化對彈體出水姿態的影響。根據課題要求，擬定了數值仿真計算方案如表1所示。

表1 數值計算工況

3.2 數值仿真結果

3.2.1 航行體出水云圖

圖4～圖8分別給出了航行體出水過程中壓力云圖及密度云圖。

圖5 尾出筒時刻壓力云圖

從密度云圖和壓力云圖中，可以得出空泡形態隨著航行體發射速度的改變而變化的規律。

1）在自然空化情況下，隨著航行體發射速度的增加，自然空泡數明顯增大，根據空化數的計算公式可知空化數與速度的平方成線性反比關系，即出筒速度越大空化數小，航行體肩部空泡長度越長。

2）發射深度不變情況下，發射速度越大，航行體肩部空泡形成越早，航行體頭部觸水時肩部空泡長度越長，航行體出水姿態越小。

3.2.2 發射深度變化對航行體出水姿態影響

圖9～圖10分別給出了航行體在不同發射速度出水過程中運動參數變化曲線。

從圖中可以看出，對航行體的俯仰角位移及縱向位移進行了無因次化處理，Amax和Smax分別代表航行體最大俯仰角位移和最大縱向位移。在低速（25m/s）和中速（30m/s）出筒狀態下，航行體俯仰角位移隨著航行體接近水面而增大，而在高速（35m/s）出筒狀態下，航行體俯仰角位移呈現先增大后減小的現象，使得航行體以較小的姿態完成出水，這是由于在高速出筒狀態下，航行體肩部空泡發展充分，肩空泡迎、背流面空泡長度存在差異，進而在航行體接近水面空泡潰滅時存在回射壓力差，根據回射壓差作用位置與航行體重心位置的關系，對航行體出水姿態進行修正。綜合上述分析可知，在本文速度范圍內，航行體出筒速度越大，其出水姿態越小。

4 結語

本文以不同發射速度條件下，航行體出水運動姿態為研究對象，運用CFD數值方法在考慮自然空化的靜水條件下，對不同發射速度的航行體出水姿態進行了數值仿真，分析了發射速度變化對航行體周圍空化流場的影響，歸納了發射速度變化對航行體出水姿態變化的影響。具體研究成果和結論如下：

1）對計算流體力學相關理論進行了系統研究，依托Fluent軟件平臺建立了航行體出水運動數值仿真模型。

2）對空化理論進行了深入研究，采用CFD數值方法對航行體水下運動過程中產生自然空化現象進行合理的仿真。

3）在自然空化情況下，隨著航行體發射速度的增加，自然空泡數明顯增大，根據空化數的計算公式可知空化數與速度的平方成線性反比關系，即出筒速度越大空化數小，航行體肩部空泡長度越長。

4）發射深度不變情況下，發射速度越大，航行體肩部空泡形成越早，航行體頭部觸水時肩部空泡長度越長，航行體出水姿態越小。

［1］楊曉光.潛射導彈水下發射及出水過程三維數值研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009：1-5.

［2］董世湯.超空泡和局部空泡水翼的線性化理論［J］.中國造船，1964（2）：001.

［3］殷崇一，張宇文，劉樂華等.導彈水下發射內流場的數值研究［J］.彈箭與制導學報，2003，23（3）：56-58.

［4］謝正桐，何友聲，朱世權.小攻角帶空泡細長體的試驗研究［J］.水動力學研究與進展（A輯），2001，16（3）：374-381.

［5］Dyment A，Flodrops J P，Paquet J B，et al.gaseous cavity at the base of an underwater projectile［J］.Aerospace Science and Technology.1998，2（8）：489-504.

［6］魏海鵬，郭鳳美，權曉波.潛射導彈表面空化特性研究［J］.宇航學報，2007（06）：1506-1509，1523.

［7］曹嘉怡，魯傳敬，李杰，等.潛射導彈水下垂直自拋發射過程研究［J］.水動力學研究與進展（A輯）.2006（06）：752-759.

［8］鄭幫濤.潛射導彈出水過程水彈道及流體動力研究進展［J］.導彈與航天運載技術，2010，309（05）：8-1155.

［9］張蘇華，趙永輝.基于CFD-CSD耦合的機翼跨高速顫振計算［J］.計算機應用與軟件，2012，12：41-42.

［10］王一偉，黃晨光，杜特專.航行體垂直出水載荷與空泡潰滅機理分析［J］.力學學報，2012，44（1）：39-48.

［11］劉海軍，王聰，鄒振祝，等.潛射導彈出筒過程肩空泡形態和水阻動力特性研究［J］.工程力學，2012，07：313-319.

［12］黃龍太，王紅偉，姜婉.基于CFD動網格技術的飛艇動導數計算方法［J］.航空計算技術，2013（6）：24-27.

Research on Gesture of Underwater Vehicle Exiting from Different Velocity by Numerical Simulation Method

LIU Ke1ZHAO Xin2LI Zhisheng1
（1.No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）（2.Information Engineering College，Dalian University，Dalian116622）

The underwater vehicle exiting from wave is an unsteady and non-linear moving process.It contains passing through the different material face and the motion parameters dramatic changed.The fluid dynamics and exercise loading dramatic changed can impact the gesture of underwater vehicle exiting from wave and moving in the air，as a result of the launched in vary velocity.Direct at these problem，this paper based on the cavitation model makes use of dynamic mesh technique to simulate the gesture of underwater vehicle exiting from wave，gets the influence by the changed of the launched velocity particularly，The research conclusion can make reference to the parameter design for the trajectory of underwater vehicle.

launched velocity，numerical simulation，gesture of underwater vehicle exiting from wave，dynamic mesh

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.016

2017年1月12日，

2017年2月20日

劉可，男，碩士，工程師，研究方向：水下測量及水動力。趙欣，女，博士，副教授，研究方向：計算機應用技術。