水下高速射弹超空泡形态与阻力特性研究

水下高速射弹超空泡形态与阻力特性研究 1 2 1 1熊天红,李铁鹏,易文俊,吴军基 ()1 . 南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室 ,南京 210094 ;2 . 海军装备部 兵器部 ,北京 100841摘要 :基于 Rayleigh2Ple sset 方程的单一介 质可 变 密 度 混 合 模 型 , 建 立 了 自 然 空 化 流 动 的 多 相 流 模 型 , 利 用 软 件 Fl uent6 . 0 对水下高速射弹空泡流动进行了数值模拟 ,计算了 4 种射弹模型在高速运动下的超空泡形态以及阻力 系数 ,分析了射弹空化器直径 、长细比和空化数等对射弹超空泡几何形态以及阻力特性的影响 . 仿真结果表明 ,随 着空化数的增加 ,超空泡直径与长度减小 ;空化器直径对射弹阻力特性的影响显著 ; 增加航行体的长细比 ,可以获得更小的阻力系数 . 关键词 :高速射弹 ;自然超空泡 ;阻力系数 () 文章编号 :10042499 X 20090220100203 中图分类号 :O351 . 3 文献标识码 : A Invest igat ion on Characterist ics of Cavity Form an d Drag f or Under water High2speed Project ile 1 2 1 1XION G Tia n2ho ng, L I Tie2p e ng, YI We n2j un, WU J u n2ji ( 1 . Natio nal Key L a bo rato r y of Tra n sient Physics , N U S T , Na nji ng 210094 , Chi na ; )2 . Or dma nce Mi ssio n , Naval A r ma ment Depa rt ment , Beiji ng 100841 , Chi na Abstract : Based o n single2fluid variable2densit y mixt ure model of Rayleigh2Plesset equatio n , nat ural multi2p hase cavitating flow mo del was p resented. Cavitatio n flow aro und underwater high2speed p rojec2 tile was investigated t hro ugh numerical simulatio n using Fluent 6. 0. The supercavit y form and drag coef2 ficient of fo ur kinds of p rojectile model under high2speed were calculated , and t he effect s of p rojectile cav2 itato r diameter , t he slenderness ratio , which rep resent s t he ratio of lengt h to diameter and cavitatio n number o n t he characteristics of supercavit y form and drag were analyzed. Simulatio n result s show t hat t he diameter and lengt h of supercavit y decrease wit h t he increase of cavitatio n number , t he effect of cavi2 tator diameter o n t he drag of p rojectile is remarkable , and a smaller drag coefficient can be o btained by increasing t he slenderness ratio of t he p rojectile. Key words : hi gh2sp ee d p rojectile ; nat ural sup e rcavit y ; dra g co efficie nt 航行体在水下高速运行时 ,周围液体汽化 ,从而产 ,以通气方式产生的人工空 水洞里低流速的情况下 [ 2,4 ] 生覆盖航行体大部分或全部表面的超空泡 ,有效地控 化. 但由于受到各种因素制约以及试验条件的 制超空泡的形态 ,能使航行的阻力减小 1,2 个数量 限制 ,水洞通气试验不能产生令人满意的超空泡外 级. Savchenko 等的计算表明 ,空化数为0. 01 ,速度为 形 ,难以准确分析超空泡的形态与航行体的阻力特 100 m/ s时 ,阻力可减小到全粘湿状态下的 5 % ;空化数 性. 本文利用 C FD 商业软件 Fl ue nt 6 . 0 ,对水下靠惯 - 4 [ 1 ] 为 10 时 ,阻力可以减小到 0. 1 %. 性高速运动射弹而形成的自然超空泡流进行数值模 目前国内水下航行器的空化研究基本上都是在拟 ,分析了射弹空化器直径 、长细比和空化数等因素 收稿日期 :2008201206 1 空泡流模型与数值方法 空泡流的建模采用混合模型 ,即基于 Raylei gh2 [ 5 ] () Ple sset 方程的气泡两相流 B T F模型来模拟空 泡流 , 将水/ 汽两相混合流作为密度可变的单一流 体 ,它们之间不存在分界面 ,允许整个混合物相互对 ε流. 同时 ,湍流模型选择了标准 k2两方程模型 , 并 采用非平衡壁函数处理近壁区域 . 计算模型采用有 限体积法求解 ,空间离散采用二阶逆风差分格式 ,时 间离散采用一阶隐格式 ,压力与速度之间的耦合求 解采用 SIM PL E 算法中经过改进的 P ISO 算法. 2 计算结果与分析 2 . 1 高速射弹模型 图 1 为高速射弹模型示意图 ,弹头部采用圆盘空 图 2 超空泡直径与长度随空化数的变化曲线 化器 ,射弹模型 M1,M3 空化发生器直径 D依次为n 超空泡尺寸通常采用无量纲相对长度 L / D, c n 5 mm 、4. 2 mm 、2. 8 mm ,全弹长 LB = 150 mm ,弹头部相对直径 D/ D,以及长细比 L / D作为超空泡的 c n c c 长 L = 130 mm , 圆 柱 部 长 L = 20 mm , 弹 体 直 径n d 几何特征量来描述 . 由不同射弹模型的仿真结果可 知 ,同一空化数下不同空化器直径所产生的超空泡 D= 30 mm. 模型 M4 的空化器直径 D= 2. 8 mm ,m n 尺寸没有明显变化 ,如表 1 所示 . 由此可以看出 ,自 L= 240 mm ,L = 220 mm ,L = 20 mm , D= 30 mm. B n d m 然超空泡的尺寸变化主要取决于空化数的变化 . 本文通过对高速射弹超空泡流动的数值模拟 ,分析了 水下 10 m 深处 、发射最大初速 500 m/ s 下的不同射 σ表 1 = 0 . 001 55 时模型 M1,M4 超空泡形态仿真结果弹模型的自然超空泡几何形态及其阻力特性. D/ DL / DL / D模型 c n c n c c M1 24 . 6 1 152 46 . 8 M2 25 1 180 47 . 2 M3 23 . 3 1 156 49 . 6 M4 24 . 1 1 172 48 . 5 图 1 高速射弹模型示意图 2 . 3 高速射弹阻力特性 射弹阻力系数定义为2 . 2 超空泡几何特征 自然超空泡的几何形态接近 2)( )( ρA 1 椭球 ,椭球的中截 C= F/ 0 . 5v? D D 式中 , FD 为射弹模型所受到的阻力 , A 为模型后段面的直径定义为超空泡直径 D,椭球的长轴定义为 c 圆柱体的横截面积 , v 为物体航行速度. 模型的阻 ? σ超空泡的长度 L . 图 2 给出了不同空化数 下 , 不 c 力包括压差阻力和粘性阻力 , 压差阻力主要取决于 同模型的超空泡直径 D与超空泡长度 L 的仿真结c c 模型的横截面积 , 而粘性阻力与模型的表面积及其 [ 6 ] 果 ,并将模型 M1 仿真结果与 SCV A 软件计算结粘湿介质的密度有关 . 果相比较 ,二者基本符合 ,验证了模型的精确性.σ表 2 给出了空化数= 0 . 000 79 下不同射弹模 型的阻力系数仿真结果与实验数据 . 实验数据来自 根据图 2 的仿真结果可以看出 : ?在同一空化 某大学水 靶 道 水 下 射 弹 发 射 试 验 , 射 弹 初 速 达 到 数下 ,随着空化器直径的增大 ,超空泡的直径与长度 500 m/ s. 测量了炮口和 几个 测试 点 的射 弹速 度 参( ) 增大 ; ?增加模型的长细比 L / D,对超空泡轮廓 B m 并无明显影响 ,可见 ,超空泡轮廓的大小 ,主要取决 102 弹 道 学 报 第 21 卷 数 ,通过数据处理获取了射弹的阻力参数. 在试验过 下结论 : 程中 ,由于射弹速度太快 ,而数值仿真是稳态过程 ,?在同一空化数下 ,射弹空化器直径越大 ,超空 因而造成理论与实际结果有一定的误差 .泡的直径与长度就越大 ;随着空化数的增加 ,超空泡 σ表 2 = 0 . 000 79 时不同超空泡射弹模型阻力系数直径与超空泡长度减小 ;增加射弹的长细比 ,对超空 模型 M1 M2 M3 M4 泡轮廓并无明显影响 . 方法 仿真 实验 仿真 实验 仿真 实验 仿真 实验 ?空化器直径大小与阻力系数有密切关系 ,空 C0. 022 8 0. 023 2 0. 016 1 0. 017 0 0. 011 8 0. 012 9 0. 007 15 0. 009 21 D 化器直径过大不利于减阻效果的实现 ; 增加弹体的 由表 2 可以看出 ,利用超空泡减小射弹的阻力 , ( ) 长细比 L / D,可以获得更小的阻力系数. 因此 ,B m 其阻力系数与射弹空化器直径 、长细比以及空化数 存在最佳空化器直径与射弹长细比的配比关系 ,以 有密切的关系. 实现最大的减阻效果 . ?模型 M1 、模型 M2 、模型 M3 ,减小射弹空化 ?随着空化数的减小 ,阻力系数也随之减小 ,超器的直径 ,阻力系数随之减小. 这主要是因为射弹在 空泡的减阻效果越好 . ( ) 高速运动的情况下 速度大于 300 m/ s, 射弹完全 参考文献 处于蒸汽超空泡中 ,粘性阻力约为压差阻力的 0 . 01 [ 7 ] 倍,射弹所受的水动力阻力主要为弹体表面的压 [ 1 ] YU N S. Sup ercavit atio n2p ro ble ms a nd p er sp ective s [ C ] . 4t h 差阻力 . 空化器的直径越小 ,所产生的超空泡的厚度 Int er natio nal Sympo si u m o n Cavit atio n . Califo r nia : Califo r nia 也就越小 ,相当于减小了模型的横截面积 ,在一定程 Instit ut e of Technolo gy , 2001 . 度上减小了射弹的压差阻力 ,因此更加有利于模型 顾建农 ,高永琪 ,张志宏 ,等. 系列头型空泡特征及其对细长体 [ 2 ] 阻力特性 影 响 的 实 验 研 究 [ J ] . 海 军 工 程 大 学 学 报 , 2003 , 的减阻效果. 这意味着 ,射弹空化器直径不能设计得 ( ) 15 4:5 - 9 . 过大 ,空化器直径过大会导致阻力系数的增加 . GU Jian2nong , GAO Yong2qi , ZHAN G Zhi2hong , et al . An ex2 ?由 模 型 M4 可 以 看 出 , 增 加 射 弹 的 长 细 比periment st udy of cavities character of headfor ms and t heir infl u2 ( ) L / D,更加有利于提高减阻效果. 射弹长细比的 B m ence on t he drag charact er of slender body[J ] . Journal of Naval U2 增加使空化器在直径较小的情况下 ,可以更好地将 () ()niver sit y of Engineering , 2003 , 15 4: 5 - 9 . in Chinese 邓飞 ,张宇文 ,袁旭龙 ,等. 水下超空泡航行体流体动力设计原 弹体内接于最小超空泡轮廓内 ,从而使压差阻力与 [ 3 ] ( ) 理研究[J ] . 西北工业大学学报 ,2004 ,22 6:806 - 809 . 粘性阻力达到最小 ,获得更小的阻力系数. 因此 ,存 D EN G Fei , ZHA N G , Yu2wen , YU A N Xun2lo ng , et al . O n 在最佳射弹长细比与空化器直径的配比关系 ,以实 hydro dyna mic de si gn of under wat er sup ercavit ati ng high sp eed 现最大的减阻效果 . ve hicle [ J ] . J o ur nal of No rt hwe st er n Pol yt echnical U ni ver sit y , ?图 3 给出了射弹 M1 模型在不同空化数下的 ( ) ()2004 , 22 6: 806 - 809 . i n Chi ne se 谢正桐 ,何友声. 小攻角下轴对称细长体的充气肩空泡试验研 阻力系数 ,射弹的阻力系数随着空化数的增加而增 [ 4 ] ( ) 究[J ] . 实验力学 ,1999 ,14 3:279 - 287 . 大. 可见 ,随着空化数的减小 ,空化性能也越好 ,阻力 XI E Zheng2to ng , H E Yo u2sheng . A n exp eri ment al st udy o n 系数也随之减小 ,并有继续降低的趋势 ,这对射弹的 cavit ati ng slender bo dy at small a ngles of at t ack [J ] . J o ur nal of 减阻非常有利. ( ) ( Experi ment al Mechanics , 1999 , 14 3 : 279 - 287 . i n Chi2 )ne se KUBO TA A , KU TO H , YA MA GU C H I H . A new mo deli ng [ 5 ] of cavit ati ng f lo w s : a numerical st udy of cavit atio n o n a hydro2 foil sectio n [J ] . J Fl uid Mech , 1992 , 240 : 59 - 96 . YU N S. Co nt rol of sup ercavit atio n flo w a nd st a bilit y of su2 [ 6 ] percavit ati ng mo tio n of bo die s [ C ] . P TO A V T L ect ure Series 图 3 模型 M1 阻力系数与空化数关系 o n “Sup ercavit ati ng flo w s ”. Br u sscl s , Bel gi u m : R TO2A V T and V KI , 2001 . 3 结论 YU N S. Mo del t he sup ercavit atio n p roce sse s [ J ] . Pr ykladna [ 7 ] ( ) Gidro me kha ni ka , 2000 , 74 2: 75 - 86 . 通过对水下高速射弹的数值模拟 ,可以得出以