發(fā)射速度對(duì)航行體出水姿態(tài)影響數(shù)值仿真研究

劉可趙欣李智生

（1.91550部隊(duì)大連116023）（2.大連大學(xué)信息工程學(xué)院大連116622）

發(fā)射速度對(duì)航行體出水姿態(tài)影響數(shù)值仿真研究

劉可1趙欣2李智生1

（1.91550部隊(duì)大連116023）（2.大連大學(xué)信息工程學(xué)院大連116622）

水下航行體的出水過(guò)程是一個(gè)穿越不同介質(zhì)面，運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)劇烈變化的非定常、非線性氣液兩相運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。在此過(guò)程中由于發(fā)射速度的改變，將引起航行體流體動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)載荷的變化，從而影響水下航行體的出水姿態(tài)和空中飛行運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。為了研究發(fā)射速度對(duì)航行體出水姿態(tài)的影響，基于CFD數(shù)值方法，在考慮自然空化條件下，對(duì)航行體水下及出水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，得到航行體出水姿態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)相同發(fā)射深度下，不同發(fā)射速度航行體出水運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，得出發(fā)射速度變化對(duì)航行體出水姿態(tài)影響，其研究結(jié)論為水下航行體出筒速度選擇提供了理論參考。

發(fā)射速度；數(shù)值仿真；出水姿態(tài)；動(dòng)網(wǎng)格

Class NumberTP391

1 引言

氣體彈射方式垂直發(fā)射的水下航行體，一般可以將其水下發(fā)射過(guò)程分為三個(gè)階段：出筒段、水下段和出水段，其中以水下段和出水段最為重要，決定著水下航行體發(fā)射的成敗。作為重要發(fā)射條件之一的發(fā)射速度是指航行體尾部離開(kāi)發(fā)射筒瞬間時(shí)，航行體的速度值。發(fā)射速度的改變，會(huì)引起水下航行體運(yùn)動(dòng)力學(xué)環(huán)境的變化?？张莸某跎?、發(fā)展及潰滅都會(huì)給航行體帶來(lái)一定的水動(dòng)力載荷沖擊，引起航行體水下運(yùn)動(dòng)軌跡和出水姿態(tài)的改變，甚至?xí)?dǎo)致航行體水下發(fā)射失敗。因此，研究發(fā)射速度對(duì)航行體出水姿態(tài)的影響有著非常重要的意義［1～3］。本文運(yùn)用CFD數(shù)值方法，在考慮自然空化條件下，對(duì)不同深度航行體出水運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，研究發(fā)射速度變化對(duì)航行體出水姿態(tài)的影響。

2 CFD數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 多相流模型

考慮自然空化作用的水下航行體出水運(yùn)動(dòng)過(guò)程涉及汽、氣、液三相的混合流動(dòng)，是一個(gè)多相流問(wèn)題。在描述多相流的模型中，目前常用的有VOF和Misture兩種多相流模型［4～5］。

2.1.1 Misture多相流模型

Misture模型是一種簡(jiǎn)化的多相流模型，引入滑移速度的概念，允許多相之間存在不同的運(yùn)動(dòng)速度，并假定各相之間相互滲透、相互慘混。該模型基于同性的RANS方程，將氣、汽、液多相組成的混合介質(zhì)處理為一種相互貫通的變密度單流體，各相共享同一壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，引入相體積分?jǐn)?shù)的概念得到描述多相流動(dòng)的控制方程［6～8］。

混合物的連續(xù)性方程為

其中：vm是質(zhì)量平均速度，ρm是混合密度，是第k相的體積分?jǐn)?shù)，滿足條件

Misture模型的動(dòng)量方程可以通過(guò)對(duì)各相動(dòng)量方程求和得到，其表達(dá)式為

這里n是相數(shù)，F(xiàn)是體積力，μm是混合粘性；

vdr，k是第二相k的飄移速度：

2.1.2 VOF多相流模型

與Misture多相流模型不同，VOF多相流模型假定各相之間互不滲透，且存在清晰的交界面，是處理復(fù)雜自由表面的一種行之有效的方法。該模型雖然涉及多相流理論，然而并沒(méi)有采用復(fù)雜的多相流模型，與Misture模型類(lèi)似，只是引入簡(jiǎn)單的單流體模型，假定在同一控制體單元中，各相具有相同的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，同時(shí)引入相體積分?jǐn)?shù)的概念得到控制方程［9～10］

上式為連續(xù)性方程。整個(gè)計(jì)算域求解單獨(dú)的動(dòng)量方程，各相共享求得的速度場(chǎng)。則動(dòng)量方程通過(guò)物性參數(shù)ρ和μ由各相的體積分?jǐn)?shù)決定。

近似共享同一個(gè)速度場(chǎng)的局限性在于：當(dāng)各相之間存在較大的速度差時(shí)，交界面附近計(jì)算得到的速度的精度受到影響。

各相共享的能量方程為

為了保證多相流模型的使用能夠精確捕捉氣、水界面的復(fù)雜變化情況，保證計(jì)算過(guò)程的穩(wěn)定性，針對(duì)水下發(fā)射過(guò)程不同階段的特點(diǎn)使用不同的多相流模型。在導(dǎo)彈的出筒段和水中運(yùn)動(dòng)段，主動(dòng)通氣噴出并在導(dǎo)彈表面形成氣泡，氣、水界面劇烈變化但各相之間存在明顯的交界面，而VOF多相流模型在處理類(lèi)似流動(dòng)問(wèn)題方面相當(dāng)出色［11～12］，因此，在出筒段及水中段的計(jì)算過(guò)程中采用VOF多相流模型；在出水階段，存在空泡潰滅、水面突起和拉斷等現(xiàn)象，各相之間強(qiáng)烈摻混、交界面不清晰，Mixture多相流模型在處理此類(lèi)離散多相流問(wèn)題時(shí)具有優(yōu)異的性能，因此，在導(dǎo)彈出水階段采用Mixture多相流模型，這種多相流模型選擇策略在計(jì)算過(guò)程中也得到了驗(yàn)證。為了進(jìn)一步增強(qiáng)計(jì)算過(guò)程的穩(wěn)定性，將空氣設(shè)置為主相，水設(shè)置為次相。

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際航行體的尺寸，采用AUTOCAD等建模軟件建立本文數(shù)值計(jì)算的航行體幾何模型，并導(dǎo)入Fluent軟件包中前處理軟件Gambit進(jìn)行計(jì)算域劃分及網(wǎng)格生成。網(wǎng)格總體劃分情況如下圖1所示，彈體近體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.3 邊界條件設(shè)置

航行體出水運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真的邊界條件設(shè)置為：彈體表面設(shè)定為固體壁面條件（wall），計(jì)算域底部設(shè)定為固體壁面條件（wall），計(jì)算域兩側(cè)設(shè)置為對(duì)稱面條件（symmetry），計(jì)算域前部設(shè)置為速度入口（velocity-inlet），上部為壓力出口（pressure-outlet），出口壓力為大氣壓。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC格式。其中水氣交界采用VOF模型設(shè)置水體的區(qū)域，具體水面高度視所模擬的發(fā)射水深不同而做相應(yīng)的改變。本文后續(xù)所做的模擬如不做特殊說(shuō)明，網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定均采用與此相同的方案。

2.4 動(dòng)網(wǎng)格控制

本文對(duì)航行體出水運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真中動(dòng)網(wǎng)格的更新方法采用的是彈簧近似光滑方法［7］。該方法將整個(gè)流體計(jì)算區(qū)域分為兩大部分：一是不動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域（stationary zone），另一個(gè)是動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域（moving zone）。動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置的示意圖如圖3所示。

動(dòng)網(wǎng)格采用Fluent自定義函數(shù)UDF驅(qū)動(dòng)，UDF文件包括主要內(nèi)容為：彈體運(yùn)動(dòng)控制、并行計(jì)算控制。為了更加真實(shí)地體現(xiàn)導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程來(lái)控制彈體運(yùn)動(dòng)。

3 航行體在不同發(fā)射速度出水運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)值仿真

3.1 數(shù)值計(jì)算方案

為了更好地研究發(fā)射速度變化對(duì)彈體出水姿態(tài)的影響，計(jì)劃在相同發(fā)射深度下計(jì)算三種發(fā)射速度彈體出水運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而系統(tǒng)研究發(fā)射速度變化對(duì)彈體出水姿態(tài)的影響。根據(jù)課題要求，擬定了數(shù)值仿真計(jì)算方案如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算工況

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果

3.2.1 航行體出水云圖

圖4～圖8分別給出了航行體出水過(guò)程中壓力云圖及密度云圖。

圖5 尾出筒時(shí)刻壓力云圖

從密度云圖和壓力云圖中，可以得出空泡形態(tài)隨著航行體發(fā)射速度的改變而變化的規(guī)律。

1）在自然空化情況下，隨著航行體發(fā)射速度的增加，自然空泡數(shù)明顯增大，根據(jù)空化數(shù)的計(jì)算公式可知空化數(shù)與速度的平方成線性反比關(guān)系，即出筒速度越大空化數(shù)小，航行體肩部空泡長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

2）發(fā)射深度不變情況下，發(fā)射速度越大，航行體肩部空泡形成越早，航行體頭部觸水時(shí)肩部空泡長(zhǎng)度越長(zhǎng)，航行體出水姿態(tài)越小。

3.2.2 發(fā)射深度變化對(duì)航行體出水姿態(tài)影響

圖9～圖10分別給出了航行體在不同發(fā)射速度出水過(guò)程中運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化曲線。

從圖中可以看出，對(duì)航行體的俯仰角位移及縱向位移進(jìn)行了無(wú)因次化處理，Amax和Smax分別代表航行體最大俯仰角位移和最大縱向位移。在低速（25m/s）和中速（30m/s）出筒狀態(tài)下，航行體俯仰角位移隨著航行體接近水面而增大，而在高速（35m/s）出筒狀態(tài)下，航行體俯仰角位移呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，使得航行體以較小的姿態(tài)完成出水，這是由于在高速出筒狀態(tài)下，航行體肩部空泡發(fā)展充分，肩空泡迎、背流面空泡長(zhǎng)度存在差異，進(jìn)而在航行體接近水面空泡潰滅時(shí)存在回射壓力差，根據(jù)回射壓差作用位置與航行體重心位置的關(guān)系，對(duì)航行體出水姿態(tài)進(jìn)行修正。綜合上述分析可知，在本文速度范圍內(nèi)，航行體出筒速度越大，其出水姿態(tài)越小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以不同發(fā)射速度條件下，航行體出水運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD數(shù)值方法在考慮自然空化的靜水條件下，對(duì)不同發(fā)射速度的航行體出水姿態(tài)進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了發(fā)射速度變化對(duì)航行體周?chē)栈鲌?chǎng)的影響，歸納了發(fā)射速度變化對(duì)航行體出水姿態(tài)變化的影響。具體研究成果和結(jié)論如下：

1）對(duì)計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)理論進(jìn)行了系統(tǒng)研究，依托Fluent軟件平臺(tái)建立了航行體出水運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真模型。

2）對(duì)空化理論進(jìn)行了深入研究，采用CFD數(shù)值方法對(duì)航行體水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生自然空化現(xiàn)象進(jìn)行合理的仿真。

3）在自然空化情況下，隨著航行體發(fā)射速度的增加，自然空泡數(shù)明顯增大，根據(jù)空化數(shù)的計(jì)算公式可知空化數(shù)與速度的平方成線性反比關(guān)系，即出筒速度越大空化數(shù)小，航行體肩部空泡長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

4）發(fā)射深度不變情況下，發(fā)射速度越大，航行體肩部空泡形成越早，航行體頭部觸水時(shí)肩部空泡長(zhǎng)度越長(zhǎng)，航行體出水姿態(tài)越小。

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Research on Gesture of Underwater Vehicle Exiting from Different Velocity by Numerical Simulation Method

LIU Ke1ZHAO Xin2LI Zhisheng1
（1.No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）（2.Information Engineering College，Dalian University，Dalian116622）

The underwater vehicle exiting from wave is an unsteady and non-linear moving process.It contains passing through the different material face and the motion parameters dramatic changed.The fluid dynamics and exercise loading dramatic changed can impact the gesture of underwater vehicle exiting from wave and moving in the air，as a result of the launched in vary velocity.Direct at these problem，this paper based on the cavitation model makes use of dynamic mesh technique to simulate the gesture of underwater vehicle exiting from wave，gets the influence by the changed of the launched velocity particularly，The research conclusion can make reference to the parameter design for the trajectory of underwater vehicle.

launched velocity，numerical simulation，gesture of underwater vehicle exiting from wave，dynamic mesh

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.016

2017年1月12日，

2017年2月20日

劉可，男，碩士，工程師，研究方向：水下測(cè)量及水動(dòng)力。趙欣，女，博士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。