呂忠波,張 霖,張?jiān)?,?巖
(重慶軍代局駐江津地區(qū)軍代室,重慶 402264)
利用流體力學(xué)軟件FLUNET[1-3],對(duì)水下槍彈的水下自然超空泡進(jìn)行數(shù)值模擬,可以得到比較接近實(shí)際情況的自然超空泡形態(tài)。對(duì)水下槍彈的水下彈道的認(rèn)知,又多了一種工具和方法。
隨著水下運(yùn)動(dòng)體速度的提高,運(yùn)動(dòng)體與水的界面流動(dòng)速度也隨之提高,促使界面壓力和密度下降,當(dāng)壓力降到水的飽和蒸汽壓力時(shí),界面的水將被汽化形成蒸汽泡而空化。
當(dāng)空泡完全包裹水下運(yùn)動(dòng)體時(shí)稱之為超空泡[4]。超空泡分為自然超空泡和人工通氣超空泡。前者依靠提高水下運(yùn)動(dòng)體的速度和改善其形狀形成超空泡,后者通過人工通氣形成超空泡。
水下運(yùn)動(dòng)體在水下運(yùn)動(dòng)所受到的阻力是空氣阻力的850倍左右。所以,常規(guī)水下武器的運(yùn)動(dòng)速度很難超過35 m/s。超空泡技術(shù)的成功應(yīng)用,可使水下運(yùn)動(dòng)體阻力減少90%左右,從而使水下武器速度達(dá)到100 m/s[5-6]以上。
超空泡武器指的是利用超空泡減阻技術(shù)發(fā)展的一類新型水下超高速武器。人們發(fā)現(xiàn)利用超空泡技術(shù)可使水下航行體被包裹在空泡內(nèi),實(shí)現(xiàn)固-液界面分離,僅頭部與水接觸,從而大幅度降低水下武器在水中的表面摩擦阻力,從而提高水下航行體的運(yùn)動(dòng)速度和航行距離[7]。
由于水下槍彈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,很難通過人工通氣形成超空泡,所以水下槍彈主要研究自然超空泡。在一定的速度條件下,通過改善其頭部外形形成穩(wěn)定的超空泡運(yùn)動(dòng)。
空化數(shù)是描述水下空化現(xiàn)象的最重要的參數(shù),其定義為
其中:P∞為流場(chǎng)特征壓強(qiáng); Pc為空泡內(nèi)壓; v∞為特征速度; ρ為流體密度。
Savchenko(薩維申科)指出,對(duì)于細(xì)長(zhǎng)型回轉(zhuǎn)體,當(dāng)空化數(shù)σ=10-2時(shí),可以降低95%的阻力;當(dāng)空化數(shù)σ=10-4時(shí),可以降低99.9%的阻力(沒有經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證)[8]。
空化現(xiàn)象研究的重點(diǎn)為如何促使與保證水下射彈形成穩(wěn)定的超空泡運(yùn)動(dòng)。而細(xì)長(zhǎng)型桿狀回轉(zhuǎn)體[9],配以適當(dāng)?shù)念^部形狀,更容易產(chǎn)生穩(wěn)定的超空泡運(yùn)動(dòng),所以水下槍彈的彈頭部分為細(xì)長(zhǎng)型桿狀回轉(zhuǎn)體。不過此類型的水下槍彈需要研制專用的槍械用于水下射擊。
由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展以及數(shù)值模擬方法在流體力學(xué)研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,計(jì)算流體力學(xué)是繼理論分析和實(shí)驗(yàn)研究成為流體力學(xué)研究的重要手段。借助一些專用軟件,在一定試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)一些水下武器超空泡進(jìn)行數(shù)值模擬,從而揭示超空泡的一些特性,依此指導(dǎo)一些水下武器的設(shè)計(jì)和制造。
流體的模擬計(jì)算需要很高質(zhì)量的網(wǎng)格,所以需要用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件來對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,高質(zhì)量的網(wǎng)格需要一定數(shù)量的單元,但是過多的單元要求計(jì)算機(jī)具有較高的計(jì)算速度。所以,為了節(jié)約計(jì)算成本,在滿足需求的情況下,應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)化求解問題的幾何模型,比如三維的簡(jiǎn)化成二維的等。只有高質(zhì)量的網(wǎng)格才能使計(jì)算順利收斂。
采用ANSYS ICEM CFD[10]對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于求解的是流體問題,所以要求較密的網(wǎng)格和較高的網(wǎng)格質(zhì)量,并在水下運(yùn)動(dòng)體表面附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)一步的加密。需要反復(fù)地完善網(wǎng)格才能滿足計(jì)算的需要,否則計(jì)算很難收斂。
在Fluent 軟件中,采用基于Rayleigh-Plesset 方程的水/水蒸汽兩相混合(Mixture)模型來模擬水下武器的空泡運(yùn)動(dòng),將水/水蒸汽兩相混合流作為密度可變的單一流體來處理,混合流之間不存在分界面,整個(gè)混合物允許相互對(duì)流,對(duì)混合物的連續(xù)方程和動(dòng)量方程進(jìn)行求解。
選擇k-epsilon 兩方程湍流模型的改進(jìn)形式可實(shí)現(xiàn)(Realizable)模型,該模型由于不適合處理近壁面流場(chǎng),因此采用非平衡壁面函數(shù)(Non-Equilibrium Wall Functions)處理近壁面區(qū)域。
使用FLUENT 中的壓力、速度耦合求解器進(jìn)行求解,采用COUPLED 算法實(shí)現(xiàn)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的耦合。PRESTO 格式用于壓力方程的離散,其他均采用QUICK 格式進(jìn)行離散。
首先利用ANSYS ICEM CFD 軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了能使計(jì)算順利收斂,對(duì)水下槍彈彈頭周圍的網(wǎng)格加密,并且采用四邊形網(wǎng)格。由于是利用一般的計(jì)算機(jī)而非數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的工作站進(jìn)行求解計(jì)算,所以如果網(wǎng)格過分密集,超出計(jì)算機(jī)的處理能力,將耗費(fèi)很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間,甚至于得不到結(jié)果。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試,終于得到滿足計(jì)算要求的網(wǎng)格,見圖1。
圖1 網(wǎng)格
利用FLUENT 軟件,在零攻角條件下,對(duì)水下槍彈彈頭形成的自然超空泡進(jìn)行數(shù)值模擬,得到自然超空泡,其完整的超空泡全貌見圖2。
圖2 自然超空泡全貌
為了進(jìn)一步探索水下槍彈彈頭頭部外形對(duì)水下自然超空泡形成的影響,在相同的條件下,特對(duì)尖頭彈、鈍頭彈及平頭彈水下自然超空泡進(jìn)行了數(shù)值模擬。不同形狀彈頭頭部,相當(dāng)于不同結(jié)構(gòu)的“空化器”,而不同的結(jié)構(gòu)的“空化器”,得到的自然超空泡也有所不同。為了能突顯3 種彈頭自然超空泡的不同,在利用FLUENT 軟件后處理截圖時(shí),對(duì)3 種彈頭頭部進(jìn)行放大,以利于比較。圖3 為尖頭彈頭部空泡外形;圖4 為鈍頭彈頭部空泡外形; 圖5 為平頭彈頭部空泡外形。
圖3 尖頭彈頭部空泡情況
圖4 鈍頭彈頭部空泡情況
圖5 平頭彈頭部空泡情況
從3 種彈頭形成的自然超空泡整體形態(tài)來看,尖頭彈從嚴(yán)格意義上講,并沒有形成自然超空泡,因其頭部沒有被空泡所完全包裹,從圖3 可以看得比較清晰; 鈍頭彈形成的自然超空泡比較完美,整個(gè)彈頭從頭至尾被空泡所包裹,從圖4可以看得比較清晰;平頭彈頭部仍有一小部分沒有被空泡所包裹,且彈頭部分水蒸氣濃度較低,從圖5 可以看得比較清晰,但較尖頭彈要好的多。相應(yīng)的,由于鈍頭彈完全被空泡所包裹,其與水的接觸僅限于彈頭平面,小于平頭彈與水的接觸面積,更小于尖頭彈與水的接觸面積。所以鈍頭彈的減阻效果為最好。
超空泡基礎(chǔ)技術(shù)試驗(yàn)研究受試驗(yàn)條件制約較大,建立滿足需要的水下試驗(yàn)場(chǎng)要花費(fèi)巨資,試驗(yàn)更要耗費(fèi)大量的人力物力。利用數(shù)值模擬技術(shù)可以替代大部分試驗(yàn);改善彈頭頭部的形狀,可以優(yōu)選出更有利于形成自然超空泡的水下槍彈;利用數(shù)值模擬的結(jié)果,可以對(duì)現(xiàn)有的水下槍彈進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),以提高其終點(diǎn)存速存能的能力; 還可以用來指導(dǎo)新的水下槍彈的設(shè)計(jì)以及為其他水下武器的設(shè)計(jì)提供參考。
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