一種基于切片法的分層海流下運(yùn)載器附加擾動(dòng)力計(jì)算方法

邱海強(qiáng), 袁緒龍, 王亞?wèn)|, 劉傳龍

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一種基于切片法的分層海流下運(yùn)載器附加擾動(dòng)力計(jì)算方法

邱海強(qiáng), 袁緒龍, 王亞?wèn)|, 劉傳龍

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

由于海流的復(fù)雜性, 在水下無(wú)動(dòng)力運(yùn)載器的彈道計(jì)算中, 僅以恒定海流速度求解其附加擾動(dòng)力的常規(guī)方法存在較大誤差, 影響了運(yùn)載器的出水姿態(tài)。本文在用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法求得其流體動(dòng)力無(wú)因次系數(shù)的基礎(chǔ)上, 采用切片法計(jì)算得到運(yùn)載器的附加擾動(dòng)力。并對(duì)兩種方法在均勻海流和分層海流兩種情況下附加擾動(dòng)力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較, 結(jié)果表明, 均勻海流下兩種方法的計(jì)算結(jié)果一致, 而在分層海流下, 若選擇合適的切片數(shù), 使用切片法的計(jì)算結(jié)果比常規(guī)方法要精確。

切片法; 分層海流; 無(wú)動(dòng)力運(yùn)載器; 計(jì)算流體力學(xué)

0 引言

無(wú)動(dòng)力運(yùn)載器(簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)載器)是一種新型特種水下航行器, 可用作干式發(fā)射潛艦導(dǎo)彈的運(yùn)載平臺(tái)和發(fā)射平臺(tái)[1]。計(jì)算運(yùn)載器在海流下的附加擾動(dòng)力通常采取均勻海流的方法, 即默認(rèn)海流速度為一定值[2-3]。但在自然情況下, 海流速度與深度有關(guān), 基于此, 均勻海流算法在附加擾動(dòng)力計(jì)算中與運(yùn)載器現(xiàn)實(shí)受力存在一定偏差[4]。

切片法是一種廣泛應(yīng)用在船舶水動(dòng)力計(jì)算中的方法。假定船體由許多橫向薄片組成, 每片單獨(dú)計(jì)算, 最后沿船長(zhǎng)積分求船體所受作用力。

本文將運(yùn)載器沿軸向切片, 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)軟件FLUENT 6.3計(jì)算在不同攻角下每個(gè)切片上產(chǎn)生的阻力、升力和俯仰力矩系數(shù)。在仿真計(jì)算的每一時(shí)間步內(nèi), 循環(huán)遍歷每一個(gè)切片, 首先通過(guò)該切片的局部攻角和側(cè)滑角插值得出無(wú)海流時(shí)的流體動(dòng)力系數(shù), 求得其流體動(dòng)力和力矩; 然后通過(guò)切片中心的高度, 插值求得所在分層海流速度, 結(jié)合運(yùn)載器自身的速度分量, 計(jì)算總的氣動(dòng)攻角和側(cè)滑角, 插值求得有海流時(shí)的流體動(dòng)力系數(shù), 進(jìn)而求得總的流體動(dòng)力和力矩; 最后計(jì)算有無(wú)海流下的流體動(dòng)力和力矩差, 得到分層海流引起的運(yùn)載器附加擾動(dòng)力。

1 CFD模型建立與計(jì)算

如圖1所示, 根據(jù)運(yùn)載器的外形特征, 將運(yùn)載器均勻分成73片。切片法需要在計(jì)算流體動(dòng)力系數(shù)時(shí)具有較高的精確度, 所以要根據(jù)運(yùn)載器的雷諾數(shù)建立邊界層, 計(jì)算出合理的第1層邊界層厚度, 選擇合理生長(zhǎng)比和邊界層層數(shù), 靠近邊界層的外圍流場(chǎng)網(wǎng)格亦可以做得適當(dāng)細(xì)密一點(diǎn)。如圖2所示。將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT6.3中建立全沾濕湍流流場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算, 使用批處理技術(shù)完成0~30°(間隔1°)攻角范圍內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算, 編寫(xiě)用戶(hù)定義函數(shù)(user-defined function, UDF)提取每1片的流體動(dòng)力系數(shù)。UDF函數(shù)中設(shè)置兩重循環(huán), 第1層循環(huán)為遍歷每個(gè)攻角, 第2層循環(huán)遍歷該攻角下的每塊切片, 利用Fluent將以切片中心為參考點(diǎn)的流體動(dòng)力和力矩系數(shù)輸出。

圖1 切片后的運(yùn)載器

圖2 網(wǎng)格劃分

觀察整個(gè)運(yùn)載器的流體動(dòng)力參數(shù)隨攻角的變化規(guī)律, 如圖3所示。繪制全部流體動(dòng)力參數(shù)隨攻角和切片位置的變化曲線, 如圖4所示。

圖3 無(wú)因次系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律

圖4 切片無(wú)因次系數(shù)隨攻角和切片位置的變化

由圖3和圖4可見(jiàn), CFD仿真所得流體動(dòng)力系數(shù)變化是光滑且連續(xù)的, 所以可以用插值法來(lái)求任意切片在任意攻角下的流體動(dòng)力系數(shù)。將流體動(dòng)力系數(shù)制成2D數(shù)組, 寫(xiě)入文本文件, 用于C++編程插值。

2 附加擾動(dòng)力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)攻角、總沖角和側(cè)滑角查詢(xún)插值表, 進(jìn)行線性插值, 求得在當(dāng)前角度下其流體動(dòng)力無(wú)因次系數(shù), 進(jìn)而得到其流體阻力、升力和俯仰力矩, 運(yùn)載器的側(cè)向力和偏航力矩通過(guò)對(duì)稱(chēng)原理得到。將求得的附加流體動(dòng)力輸出到文本文件中, 以便數(shù)據(jù)處理。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 均勻海流下切片法與常規(guī)方法的一致性

圖5 測(cè)試彈道的相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖6 均勻海流下2種方法的附加擾動(dòng)力比較

由于所給基準(zhǔn)彈道數(shù)據(jù)是按照無(wú)海流計(jì)算得到的, 因此在做有海流擾動(dòng)力計(jì)算時(shí), 彈道數(shù)據(jù)沒(méi)有響應(yīng)變化, 故計(jì)算結(jié)果有可能較真實(shí)值偏大, 但是用于比較2種方法存在的差異以辨別在分層海流下的優(yōu)劣, 這種比較是有意義的。

3.2 分層海流下切片法與常規(guī)方法的差別

圖7是附加流體動(dòng)力和力矩的曲線。由圖可知, 在海流速度如此小的情況下, 所得的附加俯仰力矩比切片法所得的結(jié)果小得多。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)法忽略了運(yùn)載器尺度效應(yīng), 用質(zhì)點(diǎn)來(lái)代替整個(gè)運(yùn)載器, 在海流速度不恒定的情況下, 因?yàn)檫\(yùn)載器的布局問(wèn)題, 運(yùn)載器各部分流體動(dòng)力具有差異性, 質(zhì)點(diǎn)假設(shè)下流體附加擾動(dòng)力計(jì)算精度不高。

圖7 分層海流下2種方法的附加擾動(dòng)力比較

3.3 切片數(shù)量對(duì)切片法的影響

在分層海流下探討切片數(shù)量對(duì)切片法的計(jì)算結(jié)果的影響。將切片數(shù)依次減半為37、19片, 如圖8所示。結(jié)果表明, 合適的切片數(shù)量對(duì)計(jì)算精度有著重大的影響。切片數(shù)量過(guò)大, 對(duì)于復(fù)雜的海況情況, 插值所需的計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng), 不利于計(jì)算的實(shí)時(shí)反映, 進(jìn)而影響整個(gè)彈道的計(jì)算和仿真速度; 切片數(shù)過(guò)少, 計(jì)算精度太低, 不能夠準(zhǔn)確分析海洋環(huán)境對(duì)運(yùn)載器水下彈道的影響, 進(jìn)而影響其出水姿態(tài), 運(yùn)載器脫落后, 導(dǎo)彈的初始姿態(tài)將耗費(fèi)發(fā)動(dòng)機(jī)較多的過(guò)載。

圖8 切片數(shù)量對(duì)計(jì)算精度的影響

4 結(jié)論

2) 在分層海流下, 切片法與常規(guī)方法有較大差異?；诒緶y(cè)試彈道, 運(yùn)載器在縱平面內(nèi)運(yùn)動(dòng), 其附加阻力、附加升力、附加俯仰力矩均差別顯著, 所以用切片法計(jì)算分層海流下的附加擾動(dòng)力是有必要的。

3) 切片數(shù)的選擇對(duì)于附加擾動(dòng)力的計(jì)算有著非常大的影響。切片數(shù)過(guò)小, 其值誤差太大; 切片數(shù)過(guò)多, 增大了計(jì)算量, 降低了切片法的工作效率。

4) 切片法的優(yōu)點(diǎn)在于, 在分層海流作用下其附加擾動(dòng)力的計(jì)算比常規(guī)方法要精確; 其缺點(diǎn)在于, 在切片數(shù)過(guò)小或者出現(xiàn)流體動(dòng)力變化較大的區(qū)域時(shí), 切片的流體動(dòng)力無(wú)因次系數(shù)隨攻角和切片中心位置的變化將變得不光滑或不連續(xù), 其插值計(jì)算的準(zhǔn)確性會(huì)急劇下降。

[1] 榮建德. 水下運(yùn)載器性能的分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版, 2008.

[2] 張宇文. 魚(yú)雷彈道與彈道設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1999.

[3] 傅慧萍. 潛射導(dǎo)彈運(yùn)載器水彈道動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模及其應(yīng)用研究[D]. 西安; 西北工業(yè)大學(xué), 2000.

[4] 袁緒龍, 張宇文, 殷崇一, 等. 無(wú)動(dòng)力潛射導(dǎo)彈運(yùn)載器出水彈道建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 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.

邱海強(qiáng)(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向水下航行器總體設(shè)計(jì)、水動(dòng)力學(xué).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)