非穩(wěn)態(tài)超空泡流動(dòng)的數(shù)值模擬

【裝備理論與裝備技術(shù)】

非穩(wěn)態(tài)超空泡流動(dòng)的數(shù)值模擬

趙怡，劉平安，苗成林

(哈爾濱工程大學(xué) 航天工程系，哈爾濱150001)

摘要：采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)水下超高速運(yùn)動(dòng)體自然空化形成超空泡形態(tài)問(wèn)題展開(kāi)研究。分析了水下超高速運(yùn)動(dòng)體在不同速度下超空泡形態(tài)的變化規(guī)律，比較不同速度下空泡脫落計(jì)算結(jié)果的異同。通過(guò)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了LES數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系，以及評(píng)估非穩(wěn)態(tài)空泡流的計(jì)算模擬能力。

關(guān)鍵詞：多相流模型；超空泡；LES模型

收稿日期：2014-08-29

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研基金(HEUCFD1404)

作者簡(jiǎn)介：趙怡(1990—)，女，碩士研究生，主要從事固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、流動(dòng)及內(nèi)彈道研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.018

中圖分類號(hào)：TV131.3+2

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0064-04

本文引用格式：趙怡，劉平安，苗成林.非穩(wěn)態(tài)超空泡流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):64-67.

Citationformat:ZHAOYi,LIUPing-an,MIAOCheng-lin.NumericalSimulationofUnsteadyCavitatingFlow[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):64-67.

NumericalSimulationofUnsteadyCavitatingFlow

ZHAOYi,LIUPing-an,MIAOCheng-lin

(CollegeofAerospaceandCivilEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:The supercavity form which is formed by the natural cavitation of the ultra-high-speed underwater moving body was researched by using the method of the combination of theoretical analysis and numerical simulation, which aims to study the motion state of the supercavity form and to compare the similarities and differences of the vacuoles off calculations at different speeds. The relationship between LES simulation and experimental results was verified by using the method of numerical simulations to assess the capacity of numerical simulation of unsteady cavitating flow.

Keywords:multiphaseflowmodel;supercavitation;LESmodel;

發(fā)展水中高速兵器的關(guān)鍵在于大幅減少兵器的運(yùn)動(dòng)阻力，水中運(yùn)動(dòng)阻力可以分為壓差阻力與黏性阻力，為減小壓差阻力可以優(yōu)化運(yùn)動(dòng)體外形[1]。因黏性阻力占總阻力的大部分，所以減小黏性阻力至關(guān)重要，其方法有很多，如在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中增加高分子溶劑、吸出或吹出邊界層、采用柔性壁面、利用減阻涂層、安裝順流肋條、調(diào)節(jié)壁面溫度等，但這些方法十分有限，目前水下減租最有效的方法就是采用超空泡技術(shù)[2]。

對(duì)水下運(yùn)動(dòng)體來(lái)說(shuō)，人工通氣超空泡運(yùn)動(dòng)的減阻，在數(shù)量上要低于自然汽化超空泡運(yùn)動(dòng)的減阻。隨著超空泡技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，可大大提高潛水艇、艦只等的航行速度[3]。我國(guó)對(duì)模擬空泡多相流模型已做了許多研究，探討了軸對(duì)稱體超空泡流動(dòng)問(wèn)題[4]。

1數(shù)值模擬

空泡流動(dòng)主要為湍流運(yùn)動(dòng)[5]，模擬湍流運(yùn)動(dòng)采用的是LES模型[6]，壓力梯度采用PRESTO!格式離散，動(dòng)量方程的差分格式采用中心差分格式，壓力-速度耦合采用PISO算法。研究基于Mixture多相流模型，并結(jié)合輸運(yùn)方程，用簡(jiǎn)單幾何外形的水下航行體模型，數(shù)值模擬非穩(wěn)態(tài)超空泡流動(dòng)現(xiàn)象。

2非穩(wěn)態(tài)超空泡數(shù)值研究

2.1主要內(nèi)容

采用Mixture兩相流模型模擬軸對(duì)稱運(yùn)動(dòng)體在不同速度下的超空泡流。目的是分析在不同速度的情況下，超空泡形態(tài)的變化和超空泡內(nèi)部參數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而分析空泡脫落現(xiàn)象。空化泡是液體流動(dòng)在一定壓力和一定溫度下發(fā)生的汽化或氣化現(xiàn)象，前者稱為含汽型空化泡，后者稱為含氣型空化泡，并統(tǒng)稱為空化泡，常簡(jiǎn)稱為空化或空泡。空化是水流或液流在低壓處突然發(fā)生的空泡(汽化或氣化空穴)現(xiàn)象。

空化數(shù)

(1)

式中：p∞為參考流體的絕對(duì)壓力；pv為液體的汽化壓強(qiáng)；U∞為參考流體的運(yùn)動(dòng)速度；ρ為液體密度。

流體物性參數(shù)：水的汽化壓強(qiáng)pv=3 540Pa，參考流體的絕對(duì)壓力p∞=101 325Pa，液體密度ρ=1 000kg/m3。運(yùn)動(dòng)體在不同速度下通過(guò)式(1)可計(jì)算出空化數(shù)，通常，自然超空泡流的產(chǎn)生要求自然汽化空化數(shù)小于0.1。

2.2建模

本文主要研究的是細(xì)錐形航行體的超空泡流動(dòng)，因航行體為軸對(duì)稱運(yùn)動(dòng)體，所以把模型簡(jiǎn)化為二維模型。彈體長(zhǎng)l=1.2m，直徑d=0.1m，采用如圖1所示矩形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行劃分，并按需求對(duì)彈體進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，情況如圖2，外流場(chǎng)長(zhǎng)為12m。

圖1　運(yùn)動(dòng)體整體尺寸

圖2　模型局部網(wǎng)格劃分情況

2.3數(shù)值計(jì)算

速度入口參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　速度入口參數(shù)設(shè)置

2.4數(shù)據(jù)處理

2.4.1開(kāi)始階段

1) 算例1

圖3為運(yùn)動(dòng)體速度為80m/s時(shí)，空泡形成初期，不同時(shí)刻的外流場(chǎng)密度云圖。觀察圖片發(fā)現(xiàn)，空泡從形成開(kāi)始逐漸變長(zhǎng)，隨時(shí)間的增加達(dá)到一定長(zhǎng)度后開(kāi)始脫落，脫落從空泡尾部較快完成。

2) 算例2

圖4展示的是運(yùn)動(dòng)體速度為100m/s時(shí)，空泡形成初期，不同時(shí)刻的外流場(chǎng)密度云圖。觀察圖片發(fā)現(xiàn)，與上一算例相同空泡也出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，脫落從空泡尾部較快完成第一次脫落。但是緊接著出現(xiàn)了二次脫落，使空泡又一次變短。

圖4　空泡脫落過(guò)程云圖

3) 算例3

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，速度為130m/s時(shí)的空泡脫落現(xiàn)象比1、2算例更明顯(見(jiàn)圖5)。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)圖5(c)也發(fā)生了二次脫落，且脫落時(shí)間更短才使得脫落現(xiàn)象明顯。本次模擬與實(shí)驗(yàn)[9]結(jié)果吻合較好，說(shuō)明大渦模擬的方法有效。

圖5　空泡脫落過(guò)程云圖

把圖3(e)、圖4(e)和圖5(e)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)速度越大，脫落后的空泡長(zhǎng)度越短，即在空泡上發(fā)生斷裂的部位越靠前。在這3個(gè)算例中，速度越大脫落得越快，實(shí)驗(yàn)中加速時(shí)尾部空泡脫落實(shí)照如圖6所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)中加速時(shí)尾部空泡脫落實(shí)照

2.4.2穩(wěn)定階段

以上3個(gè)算例在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)均無(wú)明顯的脫落現(xiàn)象，雖然空泡的長(zhǎng)度始終不穩(wěn)定，但變化不大，可近似穩(wěn)定狀態(tài)。在彈身后方軸線上和非軸線上分別取兩點(diǎn)1、2，計(jì)算中監(jiān)測(cè)兩點(diǎn)的壓力和速度(見(jiàn)圖7～圖10)。

圖7　點(diǎn)1軸向速度-時(shí)間圖

圖8　點(diǎn)1空化數(shù)-時(shí)間圖

圖9　點(diǎn)2軸向速度-時(shí)間圖

圖10　點(diǎn)2空化數(shù)-時(shí)間圖

經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，水和空氣在流體黏性、壁面效應(yīng)等因素的作用下不斷地進(jìn)行無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，各處的壓力和速度隨著時(shí)間而不斷地發(fā)生改變，速度和壓力沒(méi)有一定的變化規(guī)律，且波動(dòng)較大。

3結(jié)論

采用CFD軟件FLUENT，基于Mixture多相流模型，湍流輸運(yùn)方程和各相的連續(xù)性方程，數(shù)值模擬了超空泡的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。

本文就非穩(wěn)態(tài)超空泡的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬，用大渦模擬的方法，通過(guò)不斷地修改嘗試， 1.2m的彈體模型的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，空泡脫落現(xiàn)象只明顯地發(fā)生在初始階段，且速度越大脫落的時(shí)間越短，也越明顯。脫落之后，空泡又重新生長(zhǎng)，之后保持較穩(wěn)定的狀態(tài)，沒(méi)有周期的規(guī)律可循。若進(jìn)一步降低彈體速度可能不會(huì)形成超空泡。3個(gè)算例的空化數(shù)均小于0.03，完全可以形成超空泡，且在形成過(guò)程中初始階段都有空泡脫落現(xiàn)象。而在實(shí)際水下發(fā)射魚(yú)雷，周圍環(huán)境復(fù)雜，稍有一點(diǎn)擾動(dòng)對(duì)彈體就有很大的影響，使水下航行體不斷地加速減速。所以實(shí)際上空泡的脫落現(xiàn)象時(shí)刻存在。這一論題的研究也十分重要。

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(責(zé)任編輯周江川)