細長前錐段超空泡航行器高速入水的載荷數(shù)值模擬

盧丙舉，朱 珠

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

細長前錐段超空泡航行器高速入水的載荷數(shù)值模擬

盧丙舉，朱 珠

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

以具有細長前錐段的超空泡航行器為計算對象，利用動網(wǎng)格技術(shù)進行數(shù)值模擬，獲得高速入水過程中的沖擊過載，分析不同入水速度、通氣與否時入水沖擊過載的變化規(guī)律。研究表明通氣可以有效地降低軸向過載，但對于法向過載，降載若使用通氣方法，還須考慮空化器直徑。

超空泡航行器；高速入水；動網(wǎng)格；通氣；降載

0 引 言

跨介質(zhì)航行器具有空防能力強、隱蔽性好，環(huán)境適應(yīng)性強、任務(wù)可達性好的特點，在未來軍事領(lǐng)域中有著極其可觀的應(yīng)用前景[1]?？缃橘|(zhì)航行器要跨越水、氣2種介質(zhì)的交界面，具有復(fù)雜的非定常、非線性流體動力特性，在入水過程中，會受到入水抨擊以及空泡潰滅載荷的影響，因而承受巨大的沖擊載荷和水動力彎矩。

目前，大多采用低速出入水的策略來回避跨介質(zhì)武器系統(tǒng)研究中高速跨介質(zhì)出現(xiàn)的難題，對結(jié)構(gòu)入水沖擊載荷的研究也以低速為主。目前對低速結(jié)構(gòu)入水過程的砰擊已經(jīng)進行了很多仿真計算，得到了不同結(jié)構(gòu)物，如空投魚雷、艦船等的沖擊載荷及動態(tài)響應(yīng)[2–7]。對于高速入水，M.Park等[8]基于無粘勢流理論，利用切片法，分析計算了高速入水沖擊載荷，王永虎等[9]研究了斜入水高速沖擊，采用精確形體法，得到了入水初始狀態(tài)條件和入水沖擊載荷之間的關(guān)系以及入水過程中的轉(zhuǎn)動力矩的變化規(guī)律，但沒有考慮空氣墊效應(yīng)，會使其計算結(jié)果偏大。

隨著應(yīng)用研究的不斷深入、基礎(chǔ)理論和研究手段的不斷完善，迫切需要開展高速出入水和水面滑跳等跨介質(zhì)航行器流體動力基礎(chǔ)和彈道控制技術(shù)研究。當航行器入水速度達到100 m/s以上時，入水空泡內(nèi)部氣體不再是單純的降壓過程，而且還有相變過程。航行器入水沖擊載荷以及自然空泡潰滅時的高速沖擊給航行器殼體的局部強度帶來巨大挑戰(zhàn)。高速抨擊和自然空泡潰滅引起載荷是工程應(yīng)用中面臨的最大難題。超空泡研究表明，特殊設(shè)計的超空泡航行器外形可以減阻一個量級，而通氣超空泡比自然超空泡具有更穩(wěn)定的特性[10]。高速抨擊引起的沖擊載荷有望通過超空泡減阻削弱，而空泡潰滅引起的載荷則可以通過通氣方法得以解決。

本文在超空泡理論研究的基礎(chǔ)上，開展跨介質(zhì)航行器高速入水的建模與仿真分析研究，通過數(shù)值模擬開展高速入水的通氣降載技術(shù)研究。

1 計算模型

1.1 動網(wǎng)格模型

動網(wǎng)格模型（Dynamic Mesh Model）可用于模擬流體域邊界隨時間改變的問題。在Fluent中，網(wǎng)格的更新過程由程序根據(jù)迭代步中邊界的變化情況自動完成。

相對于不能計算彈體轉(zhuǎn)動情況的水面上升法，動網(wǎng)格方法與真實情況最大程度接近，可用于模擬非定常高速入水過程[10–11]。

動態(tài)分層法（Layering）是一種應(yīng)用網(wǎng)格合并/分裂實現(xiàn)網(wǎng)格更新的方法。運動邊界向下方運動時，網(wǎng)格處于拉伸狀態(tài)，當

滿足時，網(wǎng)格層j會被分裂成2層。

滿足時，第j層網(wǎng)格會與第i層網(wǎng)格合并。

1.2 Mixture模型

在Fluent中提供的多相流模型中，VOF不支持相間的穿插，而且不兼容Singhal空化模型，而混合模型（Mixture Model）允許相之間互相貫穿，允許相以不同的速度運動，可用于模擬多相流，包括各相不同速度的、各相以相同速度運動的、以及有強烈耦合的各向同性的多相流模擬。

混合模型的連續(xù)性方程為

1.3 流場-彈道耦合算法

在Fluent中進行2次開發(fā)，利用自編程序進行流場彈道耦合計算，在實時輸出模型運動參數(shù)的同時，完成模型入水非定常流場計算，流場-彈道耦合計算各模塊的流程見圖1。

2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

2.1 計算對象

本文的計算對象為具有細長前錐段的超空泡航行器模型，肩部具有通氣狹縫，外形如圖2所示。

2.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

計算域劃分情況及邊界條件設(shè)置如圖3所示。

從圖3可以看出，計算域共包括3個流體運動區(qū)域：轉(zhuǎn)動區(qū)域、水平+豎直平動區(qū)域、水平平動區(qū)域。計算域頂部為壓力邊界，其它遠場為壁面邊界。彈體肩部的通氣狹縫，為壓力邊界，如圖4所示。

對圖3所示計算域進行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖5所示，不同區(qū)域間網(wǎng)格通過接口邊界條件來連接。水平+豎直平動區(qū)域、水平平動區(qū)域均使用六面體網(wǎng)格，動網(wǎng)格更新方式采用Layering方式； 而在轉(zhuǎn)動區(qū)域，航行器的貼體網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，之外的網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，以消減六面體網(wǎng)格由于方向性而導致的不規(guī)則界面。在貼近航行體可能出現(xiàn)空化的地方以及水氣自由附近加密網(wǎng)格，以更精確更清晰地捕捉空泡及自由面邊界。

3 仿真結(jié)果與分析

對超空泡航行器20°高速斜入水過程進行仿真計算，通過UDF求解航行器的運動方程，得到了不同速度和通氣與否時的超空泡航行器在各個時刻所受到的力和力矩，受力-時間歷程曲線如圖6所示。

3.1 通氣對入水沖擊過載的影響

1）通氣對軸向沖擊載荷的影響

由圖6（a）可以看出，不通氣時，航行器入水過程中軸向力出現(xiàn)了2處峰值，第1處在空化器入水后，第2處在錐段完全入水后。這是由于航行器前段為細長錐形，前端面面積較小，空化器入水時的峰值不是很明顯，在入水時產(chǎn)生的沖擊力峰值被隨后不斷增大的軸向水動力所掩蓋。軸向力最大的峰值出現(xiàn)在錐段完全入水后。由此可見，細長錐形航行器在高速入水時可以很好地緩沖入水沖擊，將最大軸向力出現(xiàn)的峰值降低、時間延后、沖擊峰寬度展寬。

而通氣后，軸向力的第1個沖擊峰值出現(xiàn)在航行器頭部觸水時，并緩慢增大。軸向力沒有明顯的第2個沖擊峰值，或者說第二軸向沖擊峰變得平緩；當整個航行器全部入水后，由于彈尾抨擊空泡壁，形成低頭力矩，使航行器的軸向力減小。

對比不同速度下的軸向力曲線，沖擊載荷峰值隨入水速度的增大顯著增大，峰值出現(xiàn)的時間隨入水速度的增大前移； 相同速度時，不通氣時的沖擊峰值較窄。模型重0.3 kg，經(jīng)計算可知，在速度為80 m/s時，峰值由不通氣的330 N降為通氣后的150 N，降幅達到54.5%。軸向沖擊過載由110 g降為50 g；速度為100 m/s時，峰值由不通氣的410 N降為通氣后的250 N，降幅達到39%。軸向沖擊過載由136.67 g降為83.3 g；速度為120 m/s時，峰值由不通氣的540 N降為通氣后的330 N，降幅達到38.9%。軸向沖擊過載由180 g降為110 g。

速度較低時，軸向降載效果更好，原因是通氣后形成超空泡流型。在速度較低（80 m/s）時，航行器始終包裹在空泡中，而在較高速度時（100 m/s和120 m/s），由于迎流面沾濕，形成了抬頭力矩。

2）通氣對法向沖擊載荷的影響

由圖6（b）可以看出，不通氣時，航行器傾斜入水初期，產(chǎn)生法向沖擊力，是由于航行器頭部前端面和下表面沾濕引起的。在較低速度下（80 m/s和100 m/s），法向力逐漸增大，這是由于航行器迎流面全沾濕；而在較高速度下（120 m/s），入水后形成自然超空泡，航行器迎流面包裹在超空泡中，尾部沾濕，法向力也大幅降低。

通氣后，法向力的第1個峰值出現(xiàn)在航行器斜入水初期，是航行器前端面沾濕引起的。隨后，彈尾滑水形成法向力。在較低速度下（80 m/s），法向力也逐漸降低，是由于通氣形成了超空泡流型，使航行器迎流面被氣體包裹，而在較高速度下（100和120 m/s），法向力大幅增大，是由于通氣抑制了自然空化，從而彈體迎流面沾濕。

對比不同速度下的法向力曲線，頭部入水沖擊法向力峰值隨著入水速度的增大而增大，峰值出現(xiàn)的時間隨入水速度增大前移。通氣后，在速度為80 m/s時，形成了超空泡，減小了彈體沾濕面積，法向力和法向過載大幅度降低，法向力由470 N降為120 N，法向過載由157 g降為40 g，降幅達到74.5%；在速度為100 m/s時，法向力和法向過載有所降低，但降低并不明顯；而在速度為120 m/s時，法向力和法向過載不但沒有降低，而且大幅度增加。這是由于在斜入水初期，航行器頭部前端面和下表面沾濕，產(chǎn)生法向沖擊力，航行器入水后形成自然超空泡，之后航行器迎流面錐段包裹在超空泡中，法向力降低并趨于平緩。由于通氣，形成超空泡流型，在較高速度（120 m/s）條件下，通氣抑制了自然空化，航行器迎流面沾濕，形成抬頭力矩，法向力大幅增大。

3）通氣對俯仰力矩的影響

不通氣時，由于速度很高，形成超空泡流型。航行器斜入水初期，力矩的第1個峰值是由于航行器頭部下表面觸水形成的抬頭力矩，航行器頭部形成局部負攻角形成低頭力矩沖擊峰。由于自然超空泡的形成，航行器尾部抨擊下空泡壁形成抬頭力矩峰值。

通氣后，抬頭力矩沖擊峰出現(xiàn)在航行器斜入水初期，航行器頭部觸水，前端面沾濕，而在航行器頭部入水后，通氣形成超空泡流型，不再提供抬頭力矩。在較低速度下（80 m/s），由于航行器迎流面包裹在氣泡內(nèi)，而尾部沾濕，力矩很快穩(wěn)定。低頭力矩平抑了抬頭力矩；在較高速度下（100和120 m/s），抬頭力矩出現(xiàn)了第2個峰值，是由于通氣抑制了自然空化，彈體迎流面錐段沾濕，彈體尾部抨擊下空泡壁形成的，之后力矩趨于穩(wěn)定，是由于尾部迎流面沾濕，形成低頭力矩，平抑了抬頭力矩。

對比不同速度下的俯仰力矩曲線，無論通氣與否，頭部入水沖擊力矩峰值隨入水速度增大而顯著增大，而且入水速度的越大，俯仰力矩峰值出現(xiàn)的時間越早，脈沖寬度越窄，與沖擊階段相比，頭部入水后的俯仰力矩為小量。通氣后，80 m/s速度時，入水初期的抬頭力矩峰值也有所降低，由15.5 Nm，降為9.5 Nm，降幅達到38.7%；100 m/s和120 m/s速度時，入水初期的抬頭力矩峰值幾乎與不通氣時相同，分別為19.3 Nm，19.2 Nm和31.3 Nm，30.3 Nm。

3.2 空化器直徑對入水沖擊載荷的影響

由3.1節(jié)的分析可知，通氣可以有效地降低軸向過載，而對于法向過載，只有在較低速條件下才有效，而在速度較高的條件下，不但不能降載，反而會使入水沖擊載荷大幅度升高。這是由于空化器直徑太小而造成的。由于空化器直徑很小，入水空泡比較瘦削，由于通氣，抑制了自然空泡的形成，因而造成包裹不住整個彈體，從而使前錐段的迎流面沾濕，進而使法向過載大幅度增大。因此有必要分析空化器直徑對入水沖擊載荷的影響。

圖7給出了20°入水角，120 m/s入水速度，不通氣/通氣條件下，以及空化器直徑放大1.1倍通氣條件下的受力曲線對比。

從圖7中可以看出，增大空化器直徑到1.1倍后，法向過載有較大幅度降低，但仍高于不通氣時的法向過載。而對于軸向過載，空化器增大后，不但不能降載，反而更高于不通氣時的軸向過載。對于俯仰力矩，空化器增大后，入水初期峰值幾乎相同，之后，略低于通氣情況下的力矩，仍比不通氣時的力矩大。也就是由于增大空化器引入的過載要比通氣降低的載荷大得多，尤其是軸向過載。因此，對于具有細長前錐段的超空泡航行器，利用增大空化器直徑來降載是不可行的。

4 結(jié) 語

本文仿真分析了具有細長前錐段的超空泡航行器，在不同速度下，通氣/不通氣條件下的高速入水流場，分析了通氣對彈體流體動力參數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

1）具有細長前錐段的超空泡航行器在高速入水時，可以有效緩沖沖擊過載，比常規(guī)的魚雷、導彈等鈍頭體能耐受更高的入水速度；2）通氣可以有效地降低軸向載荷，過載降幅可達38%以上，但是通氣對降低入水初期的抬頭力矩峰值作用不大；3）通氣對法向過載的降載效果與速度有關(guān)，速度較低時有很好地降載效果，但在很高速度時，不但不能降載而且會使過載大幅度增加；4）增大空化器能夠降低法向過載，但由此引入的軸向載荷要大于通氣的降載。

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Numerical research on load of a super-cavity vehicle with cone-shaped segment at high-speed water-entry

LU Bing-ju, ZHU Zhu
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

A model with cone-shaped segment has slender was chosen to be studied in this paper. The impact load of the model was gained in the high-speed water-entry process, through the dynamic mesh technology, and the rule of the impact load are gained in the condition that vent or not at different velocity. The result shows that the axial load can be reduced effectively by ventilation, but for normal load, load shedding also need consider the diameter of the cavitator.

supercavitating vehicle；high-speed water-entry；dynamic mesh；ventilation；load shedding

TJ630

A

1672 – 7649(2017)08 – 0119 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.025

2017 – 01 – 06；

2017 – 05 – 07

盧丙舉(1979 – )，男，高級工程師，主要研究方向為導彈發(fā)射裝置、水下發(fā)射環(huán)境與載荷控制。