截面边数和运动速度对水下声弹运动特性的影响

张弛宇, 彭琪琪, 马 骏, 陈建华, 王 栋

截面边数和运动速度对水下声弹运动特性的影响

张弛宇1, 彭琪琪1, 马 骏1, 陈建华1, 王 栋2

(1. 中国兵器工业第213研究所, 陕西 西安, 710061; 2. 北方特种能源集团有限公司, 陕西 西安, 710061)

声弹作战效能的好坏很大程度上取决于声弹的运动特性。文中基于FLUENT软件中S-A湍流模型的分离涡仿真(DES)模型, 以雷诺数=2.5×106为例, 研究了水下声弹运动的流场特性, 并与已知的研究成果进行了对比, 确定了DES模型应用在高雷诺数下仿真的准确性。并在此基础上研究了平均阻力系数、升力系数及斯特劳哈尔数受水下声弹表面截面边数和运动速度的影响。研究可知: 1) 平均升力系数随着运动速度的增大而减小, 斯特劳哈尔数随着运动速度的增大而增大; 2) 当雷诺数相等、截面边数不同时, 平均阻力系数随着截面边数的增加而减小, 斯特哈尔数随着截面边数的增加而增大; 3) 正四边形和圆形声弹涡街脱落的频率单一固定, 故相比其他结构的声弹, 容易引发弹体共振, 产生破坏; 4) 正六边行和正八边形声弹涡街脱落的频率不固定, 结构不易产生破坏。文中的研究可为合理设计声弹结构、提高作战效能提供参考。

水下声弹; 流场特性; 分离涡仿真; 雷诺数

0 引言

水下武器系统运动研究早在20世纪60~90年代就已经展开, 国外学者史里希廷[1]和Ach- enbach[2]分别对来流速度100 m/s以下(<1×107)和6×104<<2×106的单圆柱水下运动特性进行了试验研究, 并取得重要研究成果。近年来, 随着对海洋探索以及对海洋资源的争夺愈发激烈, 各军事强国更加注重加强海上军事力量, 不断加大海洋武器系统的研发。

水下声弹作为水中战略性武器, 其水下运动可视作典型的柱体绕流[3]。已知研究表明, 水下声弹运动在某种情况下会产生卡门涡街现象, 简单地说, 出现卡门涡街现象会产生周期性变化的升、阻力, 导致弹体发生振动, 当振动频率与声弹自身频率接近时, 发生共振现象, 增大弹体运动阻力和噪音, 对声弹造成破坏[4]。因此, 针对弹体水下运动特性的研究极为重要。目前, 受理论和试验研究的诸多条件限制, 使得仿真成为研究武器系统水下运动的有效手段。已知关于弹体水下运动的文献多采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)湍流模型, 雷诺数在1×106以下, 但LES模型存在计算时间长和网格数量多等缺点[5]。雷诺平均N-S模型(Reynolds average Navier-Stockes, RANS)虽然计算量小, 但难以合理预测非定常柱体绕流[6]。1997年, Spalart[7]在前人研究基础上, 提出了分离涡仿真(detach eddy simulation, DES)方法, DES模型是将RANS与LES结合起来, 综合二者优势, 解决了单独模型存在的问题, 成为当前主要的研究方法。文中首先通过S-A(spalart-allmaras)模型下的DES方法仿真得出了声弹在雷诺数为2.5×106时, 声弹水下运动所受的平均阻力系数和斯特劳哈尔数, 并对比已知的试验结果, 验证了DES模型针对高雷诺数研究的准确性, 得出了圆柱型声弹在雷诺数为2.5×106时, 运动产生的卡门涡街现象, 最后分析了声弹截面边数和运动速度对运动特性的影响[8]。

1 仿真模型建立

1.1 仿真方案

图1为声弹运动流场区域示意图。图中, 声弹直径=100 mm。根据文献[6]~[8]设定矩形计算流场尺寸长为40, 宽为16, 取上游区域为8, 下游区域为32, 声弹圆心为坐标原点(=0,=0), 且圆心到上下边界的距离均为8。文中假设声弹静止不动, 给予水介质相对速度=25 m/s, 密度998.2 kg/m3, 动力粘度1.003×10–3kg/(m·s), 方向沿轴正方向, 此时可以忽略上下壁面边界对仿真结果的影响。

图1 声弹运动仿真区域图

仿真方案中, 声弹水下运动速度为25 m/s, 因此雷诺数2.5×106。

1.2 网格划分及湍流模型

为保证计算结果, 提高计算速度, 将仿真区域划分为9个, 采用O型拓扑结构对声弹中心处的网格进行加密, 网格密度从中心向四周逐渐减弱, 如图2所示。

图2 流场网格及柱体外围网格

2 水下声弹运动特性影响因素分析

2.1 水下运动特性参数

描述水下声弹运动特性的重要参数是升力系数C、阻力系数C和斯特劳哈尔数,三者分别定义为

式中:1为声弹受到的横向力;F为声弹受到的流动方向的力;为旋涡脱落频率,u为水介质运动速度。

图3为C和C在一段时间范围内变化规律, 可知, 稳定计算后,C和C随时间变化规律呈正弦曲线。且在一定时间范围内,C变化周期是C的2倍。这是由于上涡、下涡脱落各引起阻力变化一次, 共同影响升力变化一次, 这与之前关于圆柱绕流的研究成果相同。由图 4 可知, 在频率 50 Hz 左右, 升力自功率频谱达到最大。图中,为幅值。

图3 升力系数和阻力系数随时间变化曲线

图4 升力自功率频谱

表1是来流速度为25 m/s, 雷诺数为25×106时, 计算所得C、C以及。由表中可知, 文中和文献[9]的C都大于文献[1]的值, 这是因为水介质在负压情况下会产生卷吸作用, 因此计算阻力系数要大于试验值[10]。和文献[1]更接近。可以看出, 在误差允许的范围内, 基于DES模型研究高雷诺数下弹体水中运动是可行的。

2.2 卡门涡街现象分析

从仿真结果可以看出, 水下声弹在一定运动条件下, 当水介质流动至声弹尾部, 会出现卡门涡街现象, 如图5所示。

图6为一个周期的涡量变化图, 可以看出, 涡旋从柱体上下侧周期性地交替脱落, 尾流区形成反向旋转的涡对, 随着时间的增加, 涡旋远离圆心, 向圆柱中心线处移动, 直至脱落。当涡街脱落频率和弹体固有频率接近时, 会引发声弹共振, 造成弹体结构破坏[11]。

表1 文中方法与文献结果对比

图5 卡门涡街现象图

图6 1个周期内的涡量变化图

2.3 声弹截面边数对运动特性参数的影响

选取横截面为正四边形、正六边形、正八边形的子弹为研究对象, 并与圆形截面声弹进行对行对比。仿真条件为外切圆直径100 mm, 来流速度 50 m/s, 雷诺数为5.0×106。

图7为不同截面边数的声弹在流场中的相对关系位置图; 图8为不同截面边数弹体网格图。

图7 不同截面边数声弹在流场中相对关系位置示意图

图9为仿真得出的不同截面边数声弹的C和C时间历程曲线。由图可知, 截面边数为正四边形和圆形的C在流场稳定后, 趋向于单周期性波动, 涡街脱落的频率单一固定, 较其他截面结构更易引发共振; 正六边形的C和C趋向于多周期和大幅值的波动, 正八边形的C和C单周期性和规律性较差, 正六边形和正八边形涡街脱落的频率不固定, 声弹结构不易产生共振破坏[12]。

图8 不同截面边数弹体网格图

图10为不同横截面边数、相同雷诺数下,C和的变化趋势图。由图可知,C随截面边数增加而减小,随截面边数增加而增大[13]。

图9 不同截面边数声弹的Cl和Cd时间历程曲线

图10 不同截面边数声弹Cd和St变化趋势

2.4 声弹水下速度对运动特性参数的影响

以图2模型和参数设置来研究声弹来流速度对C和的影响, 仿真方案设计表3所示。

通过仿真得到不同来流速度下C和, 结果示于图11, 可知C随着来流速度的增大而减小,随来流速度的增大而增大。研究结果与史里希廷边界层理论试验结果的变化趋势基本吻合[14]。

3 结论

文中基于FLUENT软件中S-A湍流模型的DES模型, 研究了水下声弹运动的流场特性, 并对截面为圆形和正四、六、八边形的弹体进行了二维数值仿真研究, 得出如下结论:

表3 不同水下速度声弹运动仿真方案

图11 不同来流速度下Cd和St变化曲线

1) 在=2.5×106时, 声弹水中运动所受C、C和的大小和相互之间的变化规律与已知数据一致, 证明了DES模拟高雷诺数下物体水中运动流场特性的准确性;

2) 相同雷诺数下, 不同截面边数的声弹水中运动时,C随着边数的增加而减小,随着边数的增加而增大;

3) 截面为正四边形和圆形的声弹涡街脱落的频率单一固定, 相比于正六边形和正八边形更易引发弹体共振, 因此, 在设计声弹时, 应避免截面为正四边形和圆形。

文中研究了水下声弹截面边数和运动速度对运动特性的影响, 研究成果对声弹的结构设计具有一定的指导意义。

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Influences of the Number of Cross-Section Edges and Velocity on the Motion Characteristics of Underwater Acoustic Projectile

ZHANG Chi-yu1, PENG Qi-qi1, CHEN Jian-hua1, WANG Dong2

(1. The 213 Research Institute of China Ordnance Industry, Xi’an 710061, China; 2.North Special Energy Group, Xi’an 710061, China)

The operational effectiveness of an acoustic projectile depends largely on its motion characteristics. Based on the detach eddy simulation(DES) model of the S-A turbulence model in FLUENT software, the flow field characteristics of underwater acoustic projectile motion are investigated with Reynolds number=2.5×106as an example, and the accuracy of the simulation on the basis of the DES model under the high Reynolds number is demonstrated by comparing the investigation results with the known research results. The influences of the number of underwater acoustic projectile cross-section edges and motion velocity on the average drag coefficient, lift coefficient and Strouhal number are analyzed. The results show that: 1) the average lift coefficient decreases but the Strouhal number increases with the increase of the motion velocity; 2) when the Reynolds number is equal and the number of cross-section edges is different, the average drag coefficient decreases but the Strouhal number increases with the increase of the number of cross-section edges; 3) compared with other acoustic projectile structures, the square and circular structures have single and fixed falling-off frequency of vortex street, so they are easy to cause resonance and damage of projectile; and 4) the vortex street falling-off frequencies of the hexagonal and octagonal acoustic projectiles are not fixed, and these two structures are not easy to be damaged. This research may provide reference for rational design of acoustic projectile structure and improvement of operational effectiveness.

underwater acoustic projectile; flow field characteristic; detach eddy simulation(DES); Reynolds number

TJ6; O357.4

A

2096-3920(2020)03-0291-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.008

2019-08-07;

2019-10-09.

张弛宇(1991-), 男, 硕士, 主要研究方向为弹药精确化与智能化.

张弛宇, 彭琪琪, 马骏, 等. 截面边数和运动速度对水下声弹运动特性的影响[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(3): 291-295.

(责任编辑: 杨力军)