一种基于切片法的分层海流下运载器附加扰动力计算方法

邱海强, 袁绪龙, 王亚东, 刘传龙



一种基于切片法的分层海流下运载器附加扰动力计算方法

邱海强, 袁绪龙, 王亚东, 刘传龙

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

由于海流的复杂性, 在水下无动力运载器的弹道计算中, 仅以恒定海流速度求解其附加扰动力的常规方法存在较大误差, 影响了运载器的出水姿态。本文在用计算流体力学(CFD)方法求得其流体动力无因次系数的基础上, 采用切片法计算得到运载器的附加扰动力。并对两种方法在均匀海流和分层海流两种情况下附加扰动力的计算结果进行了比较, 结果表明, 均匀海流下两种方法的计算结果一致, 而在分层海流下, 若选择合适的切片数, 使用切片法的计算结果比常规方法要精确。

切片法; 分层海流; 无动力运载器; 计算流体力学

0 引言

无动力运载器(简称运载器)是一种新型特种水下航行器, 可用作干式发射潜舰导弹的运载平台和发射平台[1]。计算运载器在海流下的附加扰动力通常采取均匀海流的方法, 即默认海流速度为一定值[2-3]。但在自然情况下, 海流速度与深度有关, 基于此, 均匀海流算法在附加扰动力计算中与运载器现实受力存在一定偏差[4]。

切片法是一种广泛应用在船舶水动力计算中的方法。假定船体由许多横向薄片组成, 每片单独计算, 最后沿船长积分求船体所受作用力。

本文将运载器沿轴向切片, 应用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)软件FLUENT 6.3计算在不同攻角下每个切片上产生的阻力、升力和俯仰力矩系数。在仿真计算的每一时间步内, 循环遍历每一个切片, 首先通过该切片的局部攻角和侧滑角插值得出无海流时的流体动力系数, 求得其流体动力和力矩; 然后通过切片中心的高度, 插值求得所在分层海流速度, 结合运载器自身的速度分量, 计算总的气动攻角和侧滑角, 插值求得有海流时的流体动力系数, 进而求得总的流体动力和力矩; 最后计算有无海流下的流体动力和力矩差, 得到分层海流引起的运载器附加扰动力。

1 CFD模型建立与计算

如图1所示, 根据运载器的外形特征, 将运载器均匀分成73片。切片法需要在计算流体动力系数时具有较高的精确度, 所以要根据运载器的雷诺数建立边界层, 计算出合理的第1层边界层厚度, 选择合理生长比和边界层层数, 靠近边界层的外围流场网格亦可以做得适当细密一点。如图2所示。将网格导入FLUENT6.3中建立全沾湿湍流流场计算模型进行计算, 使用批处理技术完成0~30°(间隔1°)攻角范围内的流场计算, 编写用户定义函数(user-defined function, UDF)提取每1片的流体动力系数。UDF函数中设置两重循环, 第1层循环为遍历每个攻角, 第2层循环遍历该攻角下的每块切片, 利用Fluent将以切片中心为参考点的流体动力和力矩系数输出。

图1 切片后的运载器

图2 网格划分

观察整个运载器的流体动力参数随攻角的变化规律, 如图3所示。绘制全部流体动力参数随攻角和切片位置的变化曲线, 如图4所示。

图3 无因次系数随攻角的变化规律

图4 切片无因次系数随攻角和切片位置的变化

由图3和图4可见, CFD仿真所得流体动力系数变化是光滑且连续的, 所以可以用插值法来求任意切片在任意攻角下的流体动力系数。将流体动力系数制成2D数组, 写入文本文件, 用于C++编程插值。

2 附加扰动力计算的数学模型

根据攻角、总冲角和侧滑角查询插值表, 进行线性插值, 求得在当前角度下其流体动力无因次系数, 进而得到其流体阻力、升力和俯仰力矩, 运载器的侧向力和偏航力矩通过对称原理得到。将求得的附加流体动力输出到文本文件中, 以便数据处理。

3 计算结果与分析

3.1 均匀海流下切片法与常规方法的一致性

图5 测试弹道的相关参数随时间的变化规律

图6 均匀海流下2种方法的附加扰动力比较

由于所给基准弹道数据是按照无海流计算得到的, 因此在做有海流扰动力计算时, 弹道数据没有响应变化, 故计算结果有可能较真实值偏大, 但是用于比较2种方法存在的差异以辨别在分层海流下的优劣, 这种比较是有意义的。

3.2 分层海流下切片法与常规方法的差别

图7是附加流体动力和力矩的曲线。由图可知, 在海流速度如此小的情况下, 所得的附加俯仰力矩比切片法所得的结果小得多。这是因为常规法忽略了运载器尺度效应, 用质点来代替整个运载器, 在海流速度不恒定的情况下, 因为运载器的布局问题, 运载器各部分流体动力具有差异性, 质点假设下流体附加扰动力计算精度不高。

图7 分层海流下2种方法的附加扰动力比较

3.3 切片数量对切片法的影响

在分层海流下探讨切片数量对切片法的计算结果的影响。将切片数依次减半为37、19片, 如图8所示。结果表明, 合适的切片数量对计算精度有着重大的影响。切片数量过大, 对于复杂的海况情况, 插值所需的计算时间太长, 不利于计算的实时反映, 进而影响整个弹道的计算和仿真速度; 切片数过少, 计算精度太低, 不能够准确分析海洋环境对运载器水下弹道的影响, 进而影响其出水姿态, 运载器脱落后, 导弹的初始姿态将耗费发动机较多的过载。

图8 切片数量对计算精度的影响

4 结论

2) 在分层海流下, 切片法与常规方法有较大差异。基于本测试弹道, 运载器在纵平面内运动, 其附加阻力、附加升力、附加俯仰力矩均差别显著, 所以用切片法计算分层海流下的附加扰动力是有必要的。

3) 切片数的选择对于附加扰动力的计算有着非常大的影响。切片数过小, 其值误差太大; 切片数过多, 增大了计算量, 降低了切片法的工作效率。

4) 切片法的优点在于, 在分层海流作用下其附加扰动力的计算比常规方法要精确; 其缺点在于, 在切片数过小或者出现流体动力变化较大的区域时, 切片的流体动力无因次系数随攻角和切片中心位置的变化将变得不光滑或不连续, 其插值计算的准确性会急剧下降。

[1] 荣建德. 水下运载器性能的分析与设计[M]. 北京: 国防工业出版, 2008.

[2] 张宇文. 鱼雷弹道与弹道设计[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1999.

[3] 傅慧萍. 潜射导弹运载器水弹道动力学系统建模及其应用研究[D]. 西安; 西北工业大学, 2000.

[4] 袁绪龙, 张宇文, 殷崇一, 等. 无动力潜射导弹运载器出水弹道建模与实验验证[J]. 弹箭与制导学报, 2003, 23(4): 187-189.Yuan Xu-long, Zhang Yu-wen, Yin Chong-yi, et al. Water-Exit Trajectory Modeling and Experimental Validation of Unpowered Sub Launched Missile Carrier[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2003, 23(4): 187-189.

Calculation of Additional Turbulent Force by Slicing Method for Underwater Unpowered Vehicle under Layered Ocean Current

QIU Hai-qiang, YUAN Xu-long, WANG Ya-dong, LIU Chuan-long

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Conventional additional turbulent force calculation method based on constant ocean current velocity introduces large error in the trajectory calculation of an underwater unpowered vehicle due to complexity of ocean current, which influences the vehicle attitude of water outlet. This paper calculates the additional turbulent forces of the vehicle by using the slicing method based on the non-dimensional hydrodynamic coefficient obtained with CFD method, and compares the forces with the ones from conventional method under even ocean current and layered ocean current. Conclusions are drawn that the results obtained with both conventional and slicing methods are consistent with each other under even ocean current, while the slicing method can achieve more accurate result under layered ocean current by selecting proper slicing number.

slicing method; layered ocean current; unpowered vehicle; computational fluid dynamics(CFD)

TJ630.1

A

1673-1948(2013)05-0337-05

2012-11-13;

2013-04-11.

邱海强(1989-), 男, 在读硕士, 研究方向水下航行器总体设计、水动力学.

(责任编辑: 陈 曦)