基于6DOF超空泡射弹减阻性能分析*

张学伟,李 强,黄 岚

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

基于6DOF超空泡射弹减阻性能分析*

张学伟,李 强,黄 岚

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

为了研究射弹运动过程中的空泡形态和减阻性能,基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型和6DOF动网格技术,利用Fluent14.0对带圆锥空化器射弹进行了数值研究。分析了超空泡射弹在运动过程中空泡的形成和溃灭过程、射弹的弹道及与全沾湿下射弹速度衰减对比。结果表明随着射弹的运动,弹后空泡逐渐溃灭,射弹有上浮趋势,且射弹减速度逐渐减小,与全沾湿相比,超空泡减阻率高达70.1%。该结果对研究动态超空泡提供了一定的理论依据。

超空泡;减阻;动网格;六自由度方程

0 引言

水下作战有很强的隐蔽性,特别是蛙人、水雷、鱼雷等破坏力极强的特种作战人员和水中兵器,对港口、舰艇、潜艇、近水面飞行的飞机有很大的威胁。超空泡射弹成为防御的主要手段之一。

近些年,随着许多专家学者对超空泡减阻性能的研究,证实了超空泡在提高射弹的运动速度和距离有很大的作用。易文俊、熊天红[1-3]等人利用Fluent6.2的混合多项流模型对水下射弹进行数值计算,得到了水下射弹运动形成空泡形态和对减阻特性分析;张宇文、袁绪龙[4-6]等人对水下航行体的空泡形成机理进行了数值仿真研究和试验研究,为超空泡研究提供了理论基础。

从目前所收集的资料中看,理论公式无法满足对运动射弹流体动力及空泡形态预报的要求,且大多数文献仅限于在对射弹不动的情况下进行数值仿真和实验研究,有关射弹水下自身运动的研究文献较少。文中运动FLUENT软件结合6DOF方程对水下运动射弹进行数值仿真,得到拟真实环境下射弹水下运动及减阻性能,为超空泡射弹的研究提供一定的理论支持。

1 控制方程和数值模型

1.1 控制方程

FLUENT将多相混合介质看作为变密度的单流体,各相拥有相同的速度和压力,在不考虑多相间相对滑移速度的基础上,FLUENT基于不同模型对单流体求解计算连续方程、动量方程[7]。

连续方程:

(1)

动量方程:

(2)

1.2 空化方程

空泡的形成是由于水下航行体表面的静压下降到了该温度下的饱和蒸汽压以下,这时空穴会产生并长大发育成超空泡。而当温度下降以后,超空泡内的汽相反而汽化液,由汽相变为液相,而在该过程中会释放热量,FLUENT在各种假设下模拟超空泡流动,不考虑蒸发潜热的影响,认为是在等温过程下完成的,在考虑压力p、气泡容积φ影响下的Rayleigh-Plesset方程为:

(3)

式中:pB为空泡内的压力,是蒸汽压力pv与非凝结气体分压力p之和;σ表示表面张力系数。

FLUENT模拟计算气穴成长、破裂过程的函数为:

(4)

1.3 6DOF模型

FLUENT软件提供了6DOF求解器,通过确定质心的位置和刚体运动方向,使用UDF定义质量和转动惯量,根据力的平衡计算出加速度和位移等。每一个计算步的质心的位置和刚体的运动方向均根据上一步的位置和运动方向计算得到[8]

(5)

2 计算模型和数值方法

2.1 计算模型

射弹模型如图1所示,整个射弹直径为30 mm,长度为198 mm,头部为圆锥型空化器,圆锥角为100°,弹重138 g。

图1 射弹模型示意图

仿真的整个计算域如图2所示,由于网格划分的数量和质量直接影响计算精度和计算过程的收敛性。为了提高计算精度,节约计算成本,需要对复杂结构的网格进行分块分类划分,圆形区域的划分是为了网格加密,如图3所示。

由于采用6DOF控制方程控制射弹运动,该计算必须使用网格更新的方法。FLUENT软件中有3种动网格模型,分别是弹簧光顺法、动态层法和局部网格重构法[7]。本仿真中由于网格划分为三角形网格,需要进行网格重构,则采用了弹簧光顺法和局部网格重构法进行网格变形处理。

图2 整个计算域示意图

图3 网格划分局部放大图

2.2 边界条件

整个计算模型上边界采用压力出口边界条件,出口压力值设为19 564.72 Pa(2 m水深压强),其他3个边界为固壁边界条件,弹体表面设置为无滑移壁面,射弹初速为900 m/s,环境压力为101 325 Pa。

2.3 数值方法

对计算模型采用基于压力法的有限体积法求解;多相流模型采用混合多相流;打开重力模块,设置重力加速度为9.8 m/s2;压力与速度之间的耦合求解采用PISO算法,空间离散采用二阶迎风格式,时间离散采用一阶隐格式。

3 仿真结果与分析

图4为射弹开始运动0.1 ms时超空泡初始形态,射弹在静止的水域内运动,由于射弹以890 m/s速度运动,带动弹体周围的水以高速运动,根据伯努利方程可知,水由静止突然高速运动,势必使弹体周围的压力下降,当弹体周围的压力下降到当地的饱和蒸汽压时,水开始汽化,形成超空泡包围整个射弹,圆锥空化器附近的水流速度滞止为0,形成高压区,无法降到饱和蒸汽压力以下,故圆锥空化器附近的水不能汽化,使其与水完全接触。随着射弹继续向前运动,弹体在新的水域内不断产生超空泡,弹后空泡随着水流速度的降低,开始出现变大溃灭现象,同时在浮力的作用下,出现上浮如图5所示。这完全与实验射击时拍摄的一长串白色气泡冒出水面相吻合。

图6为射弹在全沾湿和空化情况下,射弹速度衰减图。从图中可以看出,超空泡的形成使其减阻性能提高了很多。在空化情况下,射弹沿轴向的运动呈加速度逐渐减小的变减速运动,从图7可以看出,射弹在空化状态时运动到6 m时,速度衰减到453.4 m/s,而假设全沾湿时,射弹在轴线运动5 m时速度已经衰减到了276.9 m/s,可见射弹在形成空化时不但速度衰减的比较缓慢而且有效杀伤距离大大增加。通过计算加速度,可以得到空化时的最大加速度为81 152.3 m/s2,而全沾湿的最大加速度为138 058 m/s2由此可以得到减阻率高达70.1%。

图4 射弹空泡初始形态

图5 射弹运动10 ms时空泡形态

图6 全沾湿与空化速度衰减对比图

图8为射弹质心运动轨迹,从图中可知,随着射弹沿轴线运动的同时,射弹出现了上浮趋势。图9为射弹径向位移曲线,射弹在水中由于受到重力和浮力的作用,弹体周围的空泡对射弹作用,使其上浮,随着射弹轴向运动,射弹的径向上浮速度逐渐增大。射弹的上浮势必使其偏离弹着点从而影响射弹的射击准确度。

4 结论

文中基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型和6DOF动网格技术,从拟真的情况下对拟真环境超空泡射弹空泡形态和减阻性能展开研究。分析了拟真环境下超空泡射弹的空泡形成及溃灭过程、射弹的弹道及与全沾湿下射弹速度衰减对比。结果表明射弹开始运动时,弹体周围可以形成包裹射弹的超空泡,随着射弹的运动,弹体周围超空泡不会消失,而弹后空泡逐渐变大溃灭。射弹在水中的弹道呈上浮趋势,且射弹的运动呈现加速度逐渐减小的变减速运动,与全沾湿相比,超空泡减阻率可达70.1%。

图7 全沾湿与空化速度位移变化曲线

图8 射弹质心运动轨迹

图9 射弹径向位移变化曲线

[1] 熊天红, 李铁鹏, 易文俊, 等. 水下高速射弹超空泡形态与阻力特性研究 [J]. 弹道学报, 2009, 21(2): 100-102.

[2] 熊天红, 易文俊, 刘怡昕, 等. 小攻角对水下超高速射弹空泡形态的影响 [J]. 弹道学报, 2008, 20(3): 71-74.

[3] 易文俊, 王中原, 熊天红, 等. 水下高速射弹超空泡减阻特性研究 [J]. 弹道学报, 2008, 20(4): 1-4.

[4] 袁绪龙, 张宇文, 刘乐华, 等. 水下航行体通气超空泡形态实验研究 [J]. 应用力学学报, 2004, 21(3): 33-37.

[5] 袁绪龙, 张宇文, 杨武刚. 高速超空化航行体典型空化器多相流CFD分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2005, 25(1): 53-55.

[6] 张宇文, 袁绪龙, 邓飞. 超空泡航行体流体动力学 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2014.

[7] 唐家鹏. FLUENT14.0超级学习手册 [M]. 北京: 人民邮电大学出版社, 2013: 15-19.

[8] 隋洪涛, 李鹏飞, 马世虎, 等. 精通CFD动网格工程仿真与案例实战 [M]. 北京: 人民邮电大学出版社, 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基金项目:基础科研基金(A0820132003)资助

张学伟(1990-),男,山东德州人,硕士研究生,研究方向:武器系统分析和流场仿真分析。

O351.3

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