圓柱出筒過程水阻動力特性研究

蔣龍杰

摘 ?要：本文采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型，基于STAR-CCM+軟件平臺，采用重疊網格技術，對圓柱水下垂直出筒過程中的非定常流場進行仿真。獲得并分析圓柱體出筒過程中的壓差阻力系數曲線、摩擦阻力系數曲線，對工程設計具有重要的參考價值。

關鍵詞：水阻動力特性;重疊網格;多相流

引言

圓柱體在水下筒中發射過程受到的阻力主要包括壓差阻力和摩擦阻力，一般情況下，摩擦阻力占比大于壓差阻力，甚至可以占航行總阻力的70%～80% [1]。盡管筒內運動階段的運動距離和時間比較短，但會形成復雜多相流場，影響圓柱體運動的穩定性[2]。

對于圓柱體在筒內運動過程中的流場情況，Chris J.Weiland等研究了不同發射深度和橫向流對垂直發射導彈的彈道的影響[3]。國內外主要對圓柱體外流場進行了研究，而對出筒過程中圓筒受力特性的研究相對較少，本文利用數值仿真方法研究水下發射過程的非定常流場，采用重疊網格技術，并結合求解非定常雷諾平均N-S方程，重點仿真分析一定條件下圓柱的壓差阻力和摩擦阻力變化，為工程設計提供一定的參考依據。

1 數學模型

描述水下圓柱出筒過程的數學模型主要包括流體控制方程、湍流模型和空化模型。

1.1流體控制方程

流體控制方程包括混合物的連續方程、動量方程和能量方程。

1.2 湍流模型

3受力分析

圖1右邊為圓柱出筒過程中阻力變化曲線，在初始階段，壓差阻力系數和摩擦阻力系數均非常小，過了某一時間段后，摩擦阻力迅速增大，變化劇烈;在出筒過程中壓差阻力系數增加緩慢，從圖中可以看出，在圓柱出筒過程中，阻力中起主要作用的為摩擦阻力。

4 結論

本文在VOF多相流模型基礎上，采用 湍流模型，Singhal空化模型和重疊網格技術，求解了非定常雷諾平均N-S方程，對圓柱垂直出筒過程進行了數值模擬研究，得到的結論如下：摩擦阻力系數和壓差阻力系數在開始階段均比較小，之后摩擦阻力先于壓差阻力迅速上升，過了某一階段后，壓差阻力緩慢增大，影響圓柱出筒過程水阻動力特性的主要是摩擦阻力。

參考文獻

[1] ?Semenenko V N. Artificial supercavitation physics and calculation [C]. RTO of NATO. RTO Lecture Series on Supercavitating Flows. Brussels，Belgium：2001，EN-010-11.

[2] ?黃壽康.流體動力·彈道·載荷·環境[M].北京：宇航出版社，1991：165-180.

[3] ?PAVLOS W，YAGLA J J. Concept analysis and laboratory observations on a water piercing missile launcher[J].Ocean Engineering，2010，3（9）：959-965.