圆柱出筒过程水阻动力特性研究

蒋龙杰

摘  要：本文采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型，基于STAR-CCM+軟件平台，采用重叠网格技术，对圆柱水下垂直出筒过程中的非定常流场进行仿真。获得并分析圆柱体出筒过程中的压差阻力系数曲线、摩擦阻力系数曲线，对工程设计具有重要的参考价值。

关键词：水阻动力特性;重叠网格;多相流

引言

圆柱体在水下筒中发射过程受到的阻力主要包括压差阻力和摩擦阻力，一般情况下，摩擦阻力占比大于压差阻力，甚至可以占航行总阻力的70%～80% [1]。尽管筒内运动阶段的运动距离和时间比较短，但会形成复杂多相流场，影响圆柱体运动的稳定性[2]。

对于圆柱体在筒内运动过程中的流场情况，Chris J.Weiland等研究了不同发射深度和横向流对垂直发射导弹的弹道的影响[3]。国内外主要对圆柱体外流场进行了研究，而对出筒过程中圆筒受力特性的研究相对较少，本文利用数值仿真方法研究水下发射过程的非定常流场，采用重叠网格技术，并结合求解非定常雷诺平均N-S方程，重点仿真分析一定条件下圆柱的压差阻力和摩擦阻力变化，为工程设计提供一定的参考依据。

1 数学模型

描述水下圆柱出筒过程的数学模型主要包括流体控制方程、湍流模型和空化模型。

1.1流体控制方程

流体控制方程包括混合物的连续方程、动量方程和能量方程。

1.2 湍流模型

3受力分析

图1右边为圆柱出筒过程中阻力变化曲线，在初始阶段，压差阻力系数和摩擦阻力系数均非常小，过了某一时间段后，摩擦阻力迅速增大，变化剧烈;在出筒过程中压差阻力系数增加缓慢，从图中可以看出，在圆柱出筒过程中，阻力中起主要作用的为摩擦阻力。

4 结论

本文在VOF多相流模型基础上，采用 湍流模型，Singhal空化模型和重叠网格技术，求解了非定常雷诺平均N-S方程，对圆柱垂直出筒过程进行了数值模拟研究，得到的结论如下：摩擦阻力系数和压差阻力系数在开始阶段均比较小，之后摩擦阻力先于压差阻力迅速上升，过了某一阶段后，压差阻力缓慢增大，影响圆柱出筒过程水阻动力特性的主要是摩擦阻力。

参考文献

[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]  黄寿康.流体动力·弹道·载荷·环境[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.