航行器水面滑行噴水推進(jìn)特性研究

劉富強(qiáng) ,周霖儀 ,孫 元 ,閆 靠

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077;2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司,上海,200011)

0 引言

以魚雷為代表的水下航行器因其具有水下打擊威力大、隱蔽性好等特點(diǎn),已成為海軍水下攻防的主戰(zhàn)裝備[1-3]。然而,隨著科技的飛速發(fā)展,艦船的綜合性能尤其是航速得到大幅提高,為了有效追蹤和攻擊目標(biāo),魚雷的最大航速至少應(yīng)達(dá)到目標(biāo)航速的1.5 倍,這對(duì)水下航行器的航速指標(biāo)提出了更高的要求,進(jìn)而給動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)帶來了更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

噴水推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于水下航行器時(shí),可以避開螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)在軸系布置、傳動(dòng)方式等方面遇到的一系列技術(shù)難題,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),尤其在高航速、淺水抗氣蝕性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)[4-5]。因此,對(duì)噴水推進(jìn)技術(shù)的研究已成為目前世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。

噴水推進(jìn)系統(tǒng)的研究最早可以追溯到300 多年前。1661 年,Toogood 與Hayes 獲得了英國(guó)的專利,此后有關(guān)噴水推進(jìn)裝置的研究從未停止[6]。19世紀(jì)末,噴水推進(jìn)被應(yīng)用于船舶推進(jìn)領(lǐng)域。1865年,英國(guó)建造了2 艘噴水推進(jìn)的炮艦,其排水體積為1 180 m3[7]。1962 年,蘇聯(lián)首次在水翼艇上采用噴水推進(jìn)裝置,美國(guó)波音公司也在“小水槍”號(hào)試驗(yàn)艇上采用離心泵作為噴水推進(jìn)泵[8]。1974 年,英國(guó)首先在其核潛艇“Sovereign”上使用噴水推進(jìn)系統(tǒng),美、法等國(guó)也先后在核潛艇上采用了噴水推進(jìn)方式。美國(guó)海軍最新型“海狼”級(jí)攻擊核潛艇即采用噴水推進(jìn)方式[9]。

噴水推進(jìn)裝置在水下航行器上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在高性能魚雷上,如俄羅斯的某型噴水推進(jìn)魚雷航速高達(dá)70 kn[10]。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水面航行器噴水推進(jìn)也做了大量的研究。荷蘭科學(xué)家深入探索了噴水推進(jìn)裝置與船體之間的相互作用,制定了一套噴水推進(jìn)船模自航試驗(yàn)預(yù)報(bào)推進(jìn)性能的試驗(yàn)方法和規(guī)程,奠定了噴水推進(jìn)的試驗(yàn)基礎(chǔ)[11-12]。

隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷進(jìn)步,計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)的發(fā)展為噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和研究提供了平臺(tái)。Park 等[13-14]應(yīng)用雷諾平均納維-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程對(duì)船舶用噴水推進(jìn)裝置進(jìn)行了數(shù)值仿真,模擬了內(nèi)流場(chǎng)中復(fù)雜的粘性流和翼梢渦流,通過仿真對(duì)噴水推進(jìn)裝置的推力和轉(zhuǎn)矩性能做出預(yù)測(cè),仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。苑龍飛等[15]采用CFD 方法對(duì)噴水推進(jìn)系統(tǒng)在淺水高速工況下的適應(yīng)性問題進(jìn)行了仿真,得出單級(jí)噴水推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)性較差,氣蝕嚴(yán)重,雙級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)水泵推進(jìn)系統(tǒng)可提高高速水下航行器的淺水抗空泡性能的結(jié)論。劉成勇[16]提出了適用于淺水高速的噴水推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,采用數(shù)值方法開展噴水推進(jìn)系統(tǒng)研究。

綜合國(guó)內(nèi)外已有研究發(fā)現(xiàn),對(duì)大尺度航行器噴水推進(jìn)研究較多,其內(nèi)流道浸沒深度大;而針對(duì)小尺度航行器近水面噴水推進(jìn)系統(tǒng)流道內(nèi)流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性研究較少。小尺度航行器近水面噴水推進(jìn)內(nèi)流道浸沒較淺,涉及多相流動(dòng)、湍流以及內(nèi)流道配置等一系列問題,試驗(yàn)研究較為復(fù)雜,亦不經(jīng)濟(jì)。因此,文中提出一種數(shù)值仿真的方法研究航行器近水面噴水推進(jìn)的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性。該方法基于STAR-CCM+數(shù)值仿真軟件,選用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型,采用多重參考系(multiple reference frame,MRF)模型和理想水泵模型構(gòu)建航行器水面滑行噴水推進(jìn)數(shù)值仿真模型,對(duì)航行器在近水面不同模擬水泵壓力和浸沒深度下的水面滑行工況進(jìn)行仿真,研究其水面滑行過程中的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性。

1 數(shù)值仿真模型建立

1.1 數(shù)值方法

航行器水面滑行問題屬于氣液兩相問題,在湍流的非直接數(shù)值仿真中,應(yīng)用最廣泛的是時(shí)均性質(zhì)的RANS 方程,控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和相體積方程[17-18],分別為

式中:αq為流體微元中第q相體積分?jǐn)?shù);v為流體微元的速度矢量;ρq為第q相密度;和分別為第q相和第p相之間的質(zhì)量傳遞速率;n為總相數(shù);ρm、μm分別為流體微元各相平均密度和動(dòng)力黏度。

湍流模型采用SSTk-ω模型[19],其基于Baselinek-ω湍流模型,考慮了湍流剪切力的輸運(yùn)問題。采用MRF 模型[18,20]將航行器運(yùn)動(dòng)規(guī)律以平移速度的方式賦予參考系,把相對(duì)速度代入控制方程進(jìn)行計(jì)算。采用理想水泵模型模擬文中研究軸流水泵噴水推進(jìn)。針對(duì)水面航行問題,采用流體體積(volume of fluid,VOF)方法模擬氣液兩相界面問題,可以更深入地觀察自由液面的變化,以獲得更好的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性[21]。

1.2 SST k-ω 湍流模型

湍流是自然界中最為常見的一種流動(dòng)現(xiàn)象,在工程技術(shù)領(lǐng)域,大多數(shù)流動(dòng)都是湍流流動(dòng),其屬于極為復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)、有旋不規(guī)則運(yùn)動(dòng),具有隨機(jī)脈動(dòng)性和各向不均勻性,對(duì)于流場(chǎng)的壓力、速度等分布具有明顯的影響。湍流仿真的方法主要有直接數(shù)值仿真(direct numerical simulation,DNS)、RANS和大渦仿真(large eddy simulation,LES)等,文中采用工程常用的RANS 湍流模型求解航行器水面航行的流場(chǎng)。

在對(duì)航行器水面航行數(shù)值仿真中,可以采用的RANS 湍流模型包括k-ε湍流模型和k-ω湍流模型,兩者在工程實(shí)踐中都得到了廣泛應(yīng)用。常用的k-ω湍流模型有3 種,即Standardk-ω湍流模型、BSL(Baseline)k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型。根據(jù)湍流模型的使用要求和相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論,文中在模擬航行器水面航行時(shí)選用SSTk-ω湍流模型。SST 湍流模型基于BSLk-ω湍流模型,考慮了湍流剪切力的輸運(yùn)問題,在流場(chǎng)計(jì)算中具有較好的精度和可行度。

Menter[19]認(rèn)為BSL 模型的缺陷主要是由于對(duì)渦粘性的預(yù)測(cè)不當(dāng)引起的,可通過給渦粘性設(shè)置限制器的方法來解決,并由此提出SSTk-ω湍流模型?；贐SL 湍流模型,SST 湍流模型作如下改進(jìn)

式中量的解釋參見文獻(xiàn)[19]。

1.3 MRF 運(yùn)動(dòng)參考系

MRF 模型是Issa 等[20]于1994 年提出的一種針對(duì)多區(qū)域計(jì)算較為簡(jiǎn)單的定常計(jì)算模型。定義坐標(biāo)系ox′y′z′固連于繞流物體,并且相對(duì)于慣性坐標(biāo)系oxeyeze,坐標(biāo)系ox′y′z′的原點(diǎn)位置矢量為r0,平移速度為vt,角速度為 ω。對(duì)于計(jì)算域內(nèi)的任一流體微元,假設(shè)其相對(duì)于坐標(biāo)系ox′y′z′原點(diǎn)位置為r,

則該點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系oxeyeze中的絕對(duì)速度為

式中,vr為流體微元在運(yùn)動(dòng)參考系ox′y′z′的相對(duì)速度。

采用運(yùn)動(dòng)參考系方法,將繞流物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以平移速度或旋轉(zhuǎn)速度的方式賦予參考系,然后把相對(duì)速度代入控制方程進(jìn)行計(jì)算。相對(duì)速度形式的動(dòng)量守恒方程需要添加額外的體積力,主要用于描述旋轉(zhuǎn)和加速等非慣性運(yùn)動(dòng),包括科氏加速度、向心加速度等。運(yùn)動(dòng)參考系中流體質(zhì)點(diǎn)受到的體積力有

式中:α和a分別為運(yùn)動(dòng)參考系相對(duì)于慣性參考系的旋轉(zhuǎn)加速度和平移加速度;等號(hào)右邊各求和項(xiàng)依次為科氏加速度、向心加速度、角加速度、平移加速度和重力加速度。

1.4 VOF 波

STAR-CCM+軟件提供VOF 波建模,VOF 波模型用于模擬輕流體和重流體間交界面上的表面重力波。STAR-CCM+提供VOF 波模型包括平波、1 階波、5 階波、橢圓余弦波、疊加波和不規(guī)則波等。文中所研究的航行器靜水面航行問題,采用平波模型構(gòu)建氣液交界面,通過設(shè)置平波水面上的點(diǎn)和水面方向模擬航行器水面航行工況。圖1為文中研究航行器水面噴水推進(jìn)初始流場(chǎng)液面示意圖,藍(lán)色區(qū)域表示空氣域,紅色區(qū)域表示水域。

圖1 航行器靜水面液面示意圖Fig.1 Schematic diagram of static water level of a vehicle

1.5 理想水泵模型

采用軸流水泵噴水推進(jìn)的雙模航行器在水面滑行時(shí)不僅其主體表面受到流體阻力,噴水推進(jìn)內(nèi)流道也受到較大的阻力,尤其是軸流泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)。因此,文中對(duì)航行器軸流水泵噴水推進(jìn)特性進(jìn)行分析,探究航行器水面滑行內(nèi)流道的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性。研究中為了便于計(jì)算,不針對(duì)軸流泵的具體設(shè)計(jì)作細(xì)致研究,采用CFD 理想水泵模型模擬軸流泵增壓過程[19]。

在數(shù)值計(jì)算過程中,噴水推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力由CFD 模擬理想水泵模型的壓差 ΔP提供,當(dāng)航行器水面航行處于勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí),噴水推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力Tt的水平分量與航行阻力Fd平衡,即

式中:α1為航行器水面滑行的攻角;A1為軸流泵安裝處環(huán)形流道面積。

2 可行性驗(yàn)證

Timothy 等[22]利用水池進(jìn)行拖曳試驗(yàn),對(duì)不同直徑回轉(zhuǎn)體的滑水問題進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究?；诤叫衅魉婧叫械臄?shù)值仿真模型和文獻(xiàn)[22]中直徑88.9 mm、長(zhǎng)度1 422 mm 的回轉(zhuǎn)體,對(duì)回轉(zhuǎn)體以12.19 m/s 速度、6°攻角進(jìn)行一定浸沒深度滑水工況數(shù)值仿真。

圖2 展示了回轉(zhuǎn)體在沾濕長(zhǎng)度為4 倍直徑滑水狀態(tài)下的試驗(yàn)照片和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果。仿真結(jié)果可知,在滑水過程中,運(yùn)動(dòng)體尾部飛濺產(chǎn)生大量的水花,與試驗(yàn)照片吻合性較好。在數(shù)值計(jì)算過程中,對(duì)回轉(zhuǎn)體滑水的升阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè),該工況下數(shù)值計(jì)算升力為19.37 N,阻力為10.21 N。

圖2 滑水試驗(yàn)照片與數(shù)值仿真對(duì)比Fig.2 Comparison of experiment photo and numerical simulation

對(duì)升阻力特性進(jìn)行無量綱化表示,升力系數(shù)為0.032 9,阻力系數(shù)為0.017 3。對(duì)比文獻(xiàn)中得到的升力系數(shù)0.033 8,阻力系數(shù)0.017,升力系數(shù)誤差為-2.5%,阻力系數(shù)誤差為2.28%,均小于5%,滿足工程誤差。

式中:Fl和Fd分別表示航行器航行過程中受到的升力和阻力;ρ表示運(yùn)動(dòng)環(huán)境介質(zhì)的密度,文中取水的密度998 kg/m3;v和D分別為航行器的運(yùn)動(dòng)速度和直徑。

基于前文提出的航行器水面航行數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)經(jīng)典文獻(xiàn)中回轉(zhuǎn)體水面滑行進(jìn)行相同工況的數(shù)值仿真,數(shù)值仿真流場(chǎng)吻合性較好,流體動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相比誤差不超過5%,在工程誤差范圍內(nèi)。因此,文中提出的航行器水面航行數(shù)值計(jì)算方法可行,可用于后文對(duì)航行器軸流水泵噴水推進(jìn)流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性研究。

3 數(shù)值仿真計(jì)算

文中所研究航行器水面滑行階段動(dòng)力推進(jìn)方式采用電動(dòng)力噴水推進(jìn)。電動(dòng)力航行器的優(yōu)勢(shì)在于航行器所需能源僅需攜帶蓄電池,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。航行器采用噴水推進(jìn)可以避免螺旋槳推進(jìn)易產(chǎn)生空化從而導(dǎo)致推進(jìn)效率低的問題。

水下噴水推進(jìn)航行器一般采用周向進(jìn)水模式，其能夠避免流道內(nèi)非均勻流的出現(xiàn),模型示意圖如圖3 所示。文中提出一種新型的雙模航行器,其由航行器主體和前水翼2 部分組成,可以實(shí)現(xiàn)水面自由滑行和水下航行,雙模航行器水面滑行效果圖如圖4 所示。

圖3 周向進(jìn)水水下航行器模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of circumferential inlet undersea vehicle model

圖4 雙模航行器水面滑行效果圖Fig.4 Rendering of a dual-mode vehicle planing

文中所研究的雙模航行器在水面滑行階段若采用周向進(jìn)水,軸流泵在吸水的同時(shí)會(huì)夾雜大部分空氣進(jìn)入到內(nèi)流道,夾雜空氣的存在將嚴(yán)重影響軸流泵的工作效率,因此文中研究的雙模航行器噴水推進(jìn)內(nèi)流道配置采用單側(cè)進(jìn)水設(shè)計(jì),航行器在水面滑行過程中,通過下端進(jìn)水可有效避免流道內(nèi)夾雜空氣現(xiàn)象的發(fā)生。航行器尾部結(jié)構(gòu)及電動(dòng)力噴水推進(jìn)內(nèi)流道模型如圖5 所示。

圖5 航行器尾部結(jié)構(gòu)以及電動(dòng)力噴水推進(jìn)模型Fig.5 Tail structure of a vehicle and electro-dynamic water-jet propulsion model

航行器噴水推進(jìn)系統(tǒng)工作過程中電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng),通過聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸將動(dòng)力傳遞至軸流泵動(dòng)葉。軸流泵在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,進(jìn)水口吸水通過軸流泵增壓后將水向后高速噴出,從而使航行器獲得推力。

在計(jì)算機(jī)軟件仿真過程中,一般借助網(wǎng)格進(jìn)行求解。文中采用切割體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格對(duì)流域網(wǎng)格進(jìn)行劃分,采用表面重構(gòu)對(duì)網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)體銜接處進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)針對(duì)航行器內(nèi)流道及水面區(qū)域采用體積控制法進(jìn)行局部體加密。

在網(wǎng)格模型和計(jì)算域保持不變的條件下,采用體形狀內(nèi)不同網(wǎng)格加密尺度對(duì)航行器內(nèi)流道進(jìn)行局部加密,得到網(wǎng)格單元總數(shù)目分別為360 萬、450 萬、570 萬和684 萬4 種計(jì)算域網(wǎng)格結(jié)果。通過對(duì)水面恰好淹沒航行器尾端特定工況進(jìn)行數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性,此時(shí)航行器速度、攻角和 ΔP分別為7.5 m/s、10°和60 kPa。

表1 為不同網(wǎng)格數(shù)量下航行器特定工況水面滑行阻力特性,360 萬網(wǎng)格數(shù)量模型阻力明顯高于其他網(wǎng)格數(shù)量計(jì)算值;450 萬、570 萬和684 萬網(wǎng)格數(shù)量模型阻力計(jì)算值幾乎相同。考慮網(wǎng)格數(shù)量較大時(shí),增加計(jì)算機(jī)運(yùn)行負(fù)荷,計(jì)算耗時(shí)增長(zhǎng)。因此選用570 萬網(wǎng)格數(shù)量模型用于后續(xù)航行器水面噴水特性數(shù)值仿真計(jì)算。圖6 為570 萬網(wǎng)格數(shù)量模型航行器網(wǎng)格示意圖,航行器內(nèi)流道網(wǎng)格平均尺寸為4 mm,網(wǎng)格質(zhì)量較好。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)量特定工況水面滑行阻力特性Table 1 Drag characteristics of planing at a specific condition under different mesh quantity

圖6 航行器網(wǎng)格局部Fig.6 Local mesh of a vehicle

3.1 不同ΔP 下航行器水面滑行仿真分析

在對(duì)雙模航行器主體噴水推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)外流場(chǎng)仿真時(shí),根據(jù)包含內(nèi)流道的航行器主體總阻力,不斷調(diào)整模擬水泵模型的壓力值,最終使得航行器主體的阻力與噴水推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力平衡,使航行器主體在水平方向處于受力平衡狀態(tài)。對(duì)航行器主體在不同 ΔP作用下的水面滑行過程進(jìn)行數(shù)值仿真,研究?jī)?nèi)流道的流場(chǎng)特性以及航行器主體的流體動(dòng)力特性,航行器主體水面滑行速度為7.5 m/s,攻角為10°,液面高度恰好淹沒航行器尾部,文中所研究航行器內(nèi)流道軸流水泵安裝處環(huán)形流道面積A1=0.009 076 m2。

表2 為航行器主體在水面滑行時(shí)不同ΔP作用下模擬推力值和總阻力值。觀察發(fā)現(xiàn),隨著ΔP的增大,航行器主體阻力值明顯增大。當(dāng)ΔP=60 kPa 時(shí),水泵推力的水平分量Ttx=536.3 N,該工況下航行器主體的總阻力Fd=539.6 N,兩者差值為總阻力的0.61%,小于1%。此時(shí)可認(rèn)為軸流水泵推力與航行器主體的總阻力平衡。

表2 不同ΔP 下航行器水面滑行理想水泵推力與總阻力Table 2 Ideal pump thrust and total drag for vehicle planing under different ΔP

在不同ΔP下水面滑行工況的數(shù)值仿真中,對(duì)航行器的外流場(chǎng)及內(nèi)流道流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比。圖7為航行器主體不同 ΔP時(shí)水面滑行的密度云圖,其中紅色為水介質(zhì),藍(lán)色為空氣介質(zhì)。觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)ΔP=0,即水泵不工作時(shí),幾乎沒有水進(jìn)入內(nèi)流道。表3 為航行器穩(wěn)態(tài)航行時(shí),對(duì)其噴水特性及流體動(dòng)力特性的監(jiān)測(cè)值,其中:M為內(nèi)流道噴水出口的流量;vout為出口的平均噴水速度;Fl為航行器主體的總升力;Fd_out和Fl_out為航行器外殼體的阻力和升力;Fd_in和Fl_in為航行器內(nèi)流道的阻力和升力。

表3 不同 ΔP下航行器噴水特性及流體動(dòng)力特性Table 3 Water-jet characteristics and hydrodynamic characteristics of a vehicle under different ΔP

當(dāng) ΔP=0 時(shí),航行器內(nèi)流道出口流量?jī)H為0.347 kg/s,明顯小于其他壓力工況出口流量,出口平均速度為1.59 m/s;觀察其阻力分布情況發(fā)現(xiàn),內(nèi)流道阻力為-0.57 N,近似為零,航行器主體的阻力全部體現(xiàn)為外殼體阻力,流道內(nèi)幾乎沒有液體流動(dòng)。此時(shí)航行器內(nèi)流道升力為負(fù),屬于壓差升力,這主要是由于初始狀態(tài)下內(nèi)流道內(nèi)部充滿水,而在穩(wěn)態(tài)航行時(shí)流道內(nèi)的水未完全排出導(dǎo)致,該結(jié)果與圖7(a)水面滑行密度云圖所呈現(xiàn)的幾乎沒有水進(jìn)入內(nèi)流道的現(xiàn)象相吻合。

對(duì)比圖7 發(fā)現(xiàn),當(dāng) ΔP存在時(shí),水從進(jìn)水口被吸入內(nèi)流道,并完全充滿內(nèi)流道,無空氣夾雜,進(jìn)水效果良好,在流道出口向后高速噴出形成推力。圖8和圖9 分別為不同ΔP下航行器主體水面滑行的壓力云圖和速度云圖。從圖8 可知,在水泵前后有明顯的壓力變化,流場(chǎng)最高壓力點(diǎn)位于泵后的高壓區(qū);從圖9 可以發(fā)現(xiàn),內(nèi)流道出口有明顯的高速射流出現(xiàn)。

圖8 不同ΔP 下航行器水面滑行壓力云圖Fig.8 Pressure contours of vehicle planing under different ΔP

圖9 不同ΔP 下航行器水面滑行速度云圖Fig.9 Vehicle contours of vehicle planing under different ΔP

表3 中,隨著 ΔP的增大,航行器內(nèi)流道出口的質(zhì)量流量和平均噴水速度逐漸提高。對(duì)航行器主體在不同工況下的流體動(dòng)力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè),包括航行器外殼體和內(nèi)流道的升阻力特性。觀察發(fā)現(xiàn),不同ΔP下航行器主體水面滑行過程中外殼體的阻力值約為140～150 N,升力值約為410 N,升阻力特性均無明顯變化,不會(huì)對(duì)航行器殼體外流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。隨著壓力值的增大,內(nèi)流道阻力明顯上升,這一方面與流道內(nèi)部水流速度增加,流道內(nèi)摩擦阻力明顯增大有關(guān);另一方面則是由于流道收縮段前為高壓區(qū),對(duì)內(nèi)流道有較大的壓差作用力,主要體現(xiàn)為水平方向的阻力。

觀察內(nèi)流道升力特性發(fā)現(xiàn),內(nèi)流道升力為負(fù),且隨著壓力值的增大,內(nèi)流道升力的絕對(duì)值略微增大。內(nèi)流道升力為負(fù)值的主要原因是,航行器主體水面帶攻角滑行時(shí),內(nèi)流道收縮段后端高壓區(qū)對(duì)內(nèi)流道的壓力作用斜向下,豎直方向表現(xiàn)為向下的升力。內(nèi)流道升力絕對(duì)值略微增大,不同于阻力值變化明顯的主要原因在于,航行器小攻角水面滑行內(nèi)流道高壓區(qū)作用力斜向下,主要體現(xiàn)為水平阻力,對(duì)于豎直方向的升力項(xiàng)貢獻(xiàn)較小。因此,在航行器主體水面滑行流體動(dòng)力特性分布中,阻力值隨著內(nèi)流道水泵壓力變化明顯,升力值變化不明顯。

3.2 不同浸沒深度下航行器水面滑行仿真分析

文中設(shè)計(jì)的雙模航行器推進(jìn)方式為噴水推進(jìn),要求航行器在水面滑行的過程中液面必須高于進(jìn)水口才能滿足進(jìn)水需求,否則將可能影響軸流泵的工作效率。由于航行器在水面滑行過程中會(huì)受到波浪等擾動(dòng)的影響,進(jìn)水口附近液面高度也會(huì)發(fā)生變化,因此需對(duì)航行器主體在不同浸沒深度水面滑行工況進(jìn)行數(shù)值仿真,探究浸沒深度對(duì)航行器內(nèi)流道進(jìn)水的影響。

通過3.1 節(jié)數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn),當(dāng) ΔP=60 kPa 時(shí),水泵提供推力的水平分量為536.3 N,此時(shí)航行器主體總阻力為539.6 N,推力水平分量與阻力相平衡。但在研究中未考慮前水翼的阻力,在雙模航行器水面滑行過程中該部分阻力仍需動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)提供。文中雙模航行器配置前水翼在70 mm 水下運(yùn)動(dòng)工況下計(jì)算得到的前水翼阻力為155 N,因此當(dāng) ΔP=60 kPa 時(shí),軸流水泵推力將不再滿足總阻力需求,需要提高水泵性能。表4 為 ΔP=60～100 kPa時(shí)航行器主體的推力水平分量和阻力特性,其中Fd_b為航行器主體阻力,Fd_t為航行器總體阻力。當(dāng) ΔP=90 kPa 時(shí),Fd_t=805.5 N,此時(shí)Ttx=804.4 N,兩者差值為總阻力值的0.14%。可認(rèn)為當(dāng) ΔP=90 kPa時(shí),航行器動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)性能與航行器總體性能相匹配。

表4 不同ΔP 下航行器水平推力和阻力特性Table 4 Horizontal thrust and drag characteristics of the vehicle under different ΔP

采用單一變量法研究浸沒深度h(為液面距離航行器內(nèi)流道進(jìn)水口的高度)對(duì)航行器主體以及內(nèi)流道流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性的影響。設(shè)水面滑行速度7.5 m/s,攻角10°,ΔP=90 kPa,分別取h=2、20、40、60、80、100、120 mm。圖10 為航行器主體在h=2 mm 時(shí)水面滑行的初始狀態(tài)密度云圖,此時(shí)水面恰好淹沒進(jìn)水口,初始狀態(tài)下流道內(nèi)充滿水。

圖10 h=2 mm 時(shí)航行器主體初始狀態(tài)密度云圖Fig.10 Density contour of main body of the vehicle at initial state with h=2 mm

比較穩(wěn)定航行流場(chǎng)發(fā)現(xiàn),當(dāng)h=2 mm 時(shí),航行器內(nèi)流道進(jìn)水效果較差。圖11為h=2 mm 時(shí),航行器主體水面滑行穩(wěn)態(tài)密度云圖和速度云圖。從圖11(a)可以發(fā)現(xiàn),流道內(nèi)夾雜大量空氣,極大影響水泵效率;從圖11(b)可以發(fā)現(xiàn),流道內(nèi)最高速度達(dá)到114.26 m/s,并且在高速區(qū)域主要表現(xiàn)為流道內(nèi)空氣的高速擾動(dòng)。

圖11 h=2 mm 時(shí)航行器穩(wěn)態(tài)密度和速度云圖Fig.11 Steady-state density and velocity contours of vehicle inlet at h=2 mm

圖12 表征了航行器主體在不同浸沒深度下流場(chǎng)的密度云圖。觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)h=20～120 mm 時(shí),在軸流水泵作用下,水能夠完全充滿內(nèi)流道,無空氣夾雜,進(jìn)水效果良好。圖13 為航行器主體在不同浸沒深度水面滑行的速度云圖,當(dāng)h＞20 mm 時(shí),不同浸沒深度工況航行器流道出口均有高速流體噴出,流域最大速度幾乎相同,均為16.0～16.7 m/s。

圖12 不同浸沒深度航行器水面滑行密度云圖Fig.12 Density contours of vehicle planing at different immersion depths

圖13 不同浸沒深度航行器水面滑行速度云圖Fig.13 Velocity contours of vehicle planing at different immersion depths

對(duì)航行器主體不同浸沒深度水面滑行過程中的流體動(dòng)力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果見表5。當(dāng)h=2 mm時(shí),流道出口流量33.3 kg/s,出口平均速度58.2 m/s,出口流量明顯小于其他浸沒深度下水面滑行出口流量,而出口平均速度是其他浸沒深度航行器主體水面滑行出口平均速度的4 倍以上。這主要是由于h=2 mm 時(shí),內(nèi)流道出口高速出流時(shí)夾雜大量空氣所致,與圖11 所示的流場(chǎng)特性相吻合。

表5 航行器不同浸沒深度水面滑行流體動(dòng)力特性Table 5 Hydrodynamic characteristics of vehicle planing at different immersion depths

對(duì)比h＞20 mm 時(shí)航行器水面滑行阻力特性發(fā)現(xiàn),隨著航行器浸沒深度的提高,航行器主體沾水面積增大,航行器殼體的阻力顯著提高,而內(nèi)流道阻力幾乎不變,穩(wěn)定在510 N 左右。觀察其不同浸沒深度升力特性,航行器內(nèi)流道升力為負(fù)值,這主要與航行器帶攻角航行噴水方向斜向下有關(guān),且內(nèi)流道升力穩(wěn)定在-100 N 左右,主要體現(xiàn)為壓差升力;航行器外殼體阻力隨著浸沒深度的增加逐漸提高,主要表現(xiàn)為沾水面積的增大,航行器外殼體摩擦阻力增大。

當(dāng)h＞20 mm 時(shí),航行器內(nèi)流道流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性幾乎不變,不再受浸沒深度影響。

4 結(jié)論

文中基于STAR-CCM+數(shù)值仿真軟件,采用MRF 運(yùn)動(dòng)參考系和模擬理想水泵模型構(gòu)建航行器水面航行噴水推進(jìn)數(shù)值仿真模型。對(duì)航行器在不同模擬水泵壓力和不同浸沒深度水面航行工況進(jìn)行數(shù)值仿真,探究?jī)?nèi)流道的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性,主要得到以下結(jié)論。

1)理想水泵模型能夠很好地模擬軸流水泵吸水作用,水從進(jìn)水口被吸入內(nèi)流道,并完全充滿內(nèi)流道,無空氣夾雜,進(jìn)水效果良好,在流道出口向后高速噴出形成推力。

2)對(duì)比不同模擬水泵壓力航行器內(nèi)流道的流體動(dòng)力特性發(fā)現(xiàn),隨著壓力值的增大,內(nèi)流道阻力明顯上升。這一方面與流道內(nèi)部水流速度增加導(dǎo)致摩擦阻力增大有關(guān);另一方面與流道收縮段前高壓區(qū)對(duì)內(nèi)流道有較大的壓差作用有關(guān)。內(nèi)流道升力體現(xiàn)為負(fù)升力,隨著壓力值的增大,內(nèi)流道升力幾乎不發(fā)生變化。

3)對(duì)航行器主體在不同浸沒深度水面滑行的數(shù)值仿真中發(fā)現(xiàn),當(dāng)航行器進(jìn)水口浸沒深度大于20 mm 時(shí),航行器內(nèi)流道進(jìn)水效果不再受浸沒深度的影響,進(jìn)水效果良好。

文中采用簡(jiǎn)化內(nèi)流道定常研究來探索航行器水面航行噴水推進(jìn)特性,后續(xù)將針對(duì)航行器水面動(dòng)態(tài)航行過程進(jìn)行更深層次的研究,具體研究方向包括航行器的跨介質(zhì)水面航行、多自由度運(yùn)動(dòng)特性等。