非定常人工通氣超空泡數學仿真與分析

王改娣, 呂艷慧, 鄒啟明

?

非定常人工通氣超空泡數學仿真與分析

王改娣, 呂艷慧, 鄒啟明

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對人工通氣超空泡涉及因素多、時變特性強、實現難度大、成本代價高的復雜工程問題, 開展了非定常人工通氣超空泡數學仿真研究。根據Logvinovich的空泡截面擴展獨立性原理, 建立了非定常通氣超空泡形態模型,給出了仿真計算方法, 對影響超空泡形態的因素進行了動態仿真計算, 得到了不同充氣參數和運動參數下空泡形態變化規律以及與航行體表面的相對位置關系, 提出了滿足航行體高速運動穩定的空泡閉合位置要求。研究結果對水下高速航行體的通氣系統設計和航行性能設計均具有重要的參考價值, 并可為工程應用研究提供理論基礎。

水下高速航行體; 非定常; 通氣超空泡; 數學仿真

1 概述

當水下運動的航行體與液體相對高速運動時, 航行體表面附近的液體因低壓而發生相變, 形成薄的包含水汽的包層, 即空泡。以這種方式形成的空泡長度與航行體長度相當或將航行體包裹時, 便稱為自然超空泡或蒸汽超空泡。受水下航行體速度限制和其他干擾影響, 自然超空泡難以維持較長時間。然而, 以自然超空泡流場為依托, 通過向空泡內注入氣體, 可生成覆蓋物體部分或全部表面的內部主要含有氣體的超空泡, 這便是人工通氣超空泡[1]。利用超空泡產生的原理和特性來設計的航行體, 在水下運動過程中可生成大小、長度、閉合位置等滿足航行體穩定運動要求的超空泡[2], 使航行體表面的大部分與水隔開, 減小了與水之間的粘性摩擦損失, 從而大大減小航行阻力, 獲得難以想象的水中高速。

一般情況下, 隨著航行體速度增加和通氣量調整, 超空泡的發展經歷了從局部空泡到超空泡, 從自然超空泡到通氣超空泡, 從非定常超空泡到定常超空泡等過程。實際上, 這一過程中的人工通氣超空泡是一個涉及因素很多、時變特性很強、實現困難很大、成本很高的復雜工程問題, 而通氣超空泡的生成和穩定對航行體運動會產生重大影響。

針對工程上難以實現的人工通氣超空泡問題, 國內外已有大量的研究[3-6], 但目前還少有通氣超空泡與航行體運動關系方面的研究報道。本文考慮了航行體的運動特性, 分析了非定常通氣超空泡發展過程及特點, 建立了數學仿真模型, 提出了仿真方法, 對不同影響因素下的超空泡形成過程進行了動態數學仿真, 得到了空泡形態變化規律以及與航行體表面的相對位置關系, 以便為人工通氣超空泡的工程應用研究和高速水下航行體運動穩定性研究提供理論參考。

2 非定常通氣超空泡發展過程及特點

外形設計滿足超空泡生成條件的水下航行體, 隨著運動速度的增大, 在航行體表面生成了由局部空泡發展的自然超空泡, 由航行體頭部通氣孔向自然超空泡內射入氣體, 在來流作用下貼著壁面向下游發展, 形成覆蓋航行體表面充滿氣體的氣囊, 即通氣超空泡。利用自然超空泡具有向其內部充氣形成更大超空泡的這一特點, 產生具有相對穩定、大小可控、形態滿足要求的通氣超空泡。

通氣超空泡的形成一般是在航行體定深后的加速過程中即速度場變化中, 而為了快速形成超空泡, 要求通氣量與速度相匹配, 即先大后小, 最終趨于穩定, 這就使得空泡內部充氣壓力發生變化, 即航行體表面壓力場變化。可以看出, 通氣超空泡是在非定常流場中形成的, 這種內外壓力和沿自由邊界速度都隨時間變化的超空泡為非定常超空泡。

非定常通氣超空泡具有以下幾個特點: 1) 超空泡流場具有非定常、可壓縮、相變、湍動等復雜特性; 2) 超空泡外形具有一定的形狀和大小; 3) 沿超空泡長度上具有平滑、清晰的邊界; 4) 在通氣量控制下, 空泡形態具有一定的穩定性和可控性; 5) 超空泡形狀受重力場和航行體運動參數影響后會發生變形, 即相對于航行體不對稱等。利用上述特點, 在航行體運動過程中, 可生成大小、形狀、長度、閉合位置等滿足航行體受力平衡和運動穩定要求的超空泡。

本文暫不考慮流場特性對空泡的影響, 主要研究通氣系統的充氣參數和航行體的運動參數對空泡形狀的影響。

3 非定常通氣超空泡數學模型

非定常軸對稱超空泡模型是建立在G.V. Logvinovich的所謂細長軸對稱空泡截面擴展獨立性原理上[7-8], 該原理的要點是, 空泡截面擴展規律由通過該截面平面時空化器瞬時速度以及壓力差所確定, 其形狀如圖1所示。

圖1 非定常軸對稱超空泡

根據該原理, 空泡截面擴張方程為

其中

方程(1)的積分初始條件為

考慮到重力場和航行體運動參數的影響, 超空泡軸線會發生一定的偏移, 為方便研究, 本文建立了從航行體頭部空化器中心開始沿著航行體縱軸方向的偏移量表達形式, 即

4 非定常通氣超空泡仿真方法

對非定常人工通氣超空泡進行數學仿真, 是為了研究通氣空泡形成過程中, 空泡形態的變化特性以及與航行體表面的相對位置關系, 從而得到滿足空泡穩定和航行體運動穩定的通氣參數和運動參數, 仿真計算方法如下。

1) 數學模擬航行體結構外形

航行體結構外形與空泡形成過程及閉合位置密切相關, 尤其是頭部空化器的形狀, 空化器除了生成超空泡流場外, 還起到水平舵的作用, 舵角大小對空泡變形有一定影響。

2) 設置仿真初始條件

非定常超空泡的仿真初始條件包括初始泡內壓力、初始空泡數、初始速度和初始航深等。

3) 選擇通氣規律

人工通氣超空泡的通氣量根據航行體的速度變化和彈道要求確定, 在仿真開始前預設定通氣規律, 仿真計算中按照一定的時序執行。

4) 空泡形態仿真計算

5 不同影響因素下的仿真結果及分析

本文以俄羅斯“暴風雪”超空泡魚雷為背景, 設計了水下高速航行體結構外形, 并設定仿真條件如下。

初始條件:P0= 2 350 Pa,0=70 m/s;

彈道形式: 定深直航。

充氣規律和速度變化規律如圖2所示。

圖2 充氣規律和速度變化規律

5.1 充氣參數影響

本節主要研究速度加速過程中空泡形成過程的變化規律, 得出充氣過程與加速過程的匹配關系, 以便確定滿足充氣穩定和航行體運動穩定要求的充氣參數。

1) 充氣率大小影響

圖3 不同充氣率下的空泡形成過程變化曲線

從圖3可以看出, 如果不充氣, 隨著速度的增大,在航行體表面形成的自然超空泡均勻增大, 雖然穩定時能夠閉合在雷體表面, 但是閉合位置不滿足航行體帶空泡穩定航行的要求。人工充氣后, 空泡迅速拉長增大, 隨著充氣率增大, 超空泡長度拉長, 閉合位置向后移動, 直至變為開式超空泡。

2) 加速充氣系數影響

當其他充氣參數一定時, 不同加速充氣系數下空泡形狀變化的仿真曲線如圖4所示。

圖4 不同充氣系數下的空泡形成過程變化曲線

從圖4看出, 加速充氣系數對通氣超空泡形成過程中的空泡形態有顯著影響, 系數越大, 加速充氣過程生成的最大空泡尺寸越大, 繼續增大, 由最大充氣率生成的空泡將由閉式變為開式, 但對穩定后的超空泡沒有多大影響。根據這一變化規律, 就可以針對不同航行體確定出最佳的充氣系數, 使得加速過程中所形成的通氣超空泡也能滿足航行體運動穩定的閉合位置要求。

5.2 運動參數影響

在5.1節基礎上, 進行航行體運動參數對空泡形狀影響的仿真, 其目的是研究在充氣穩定和速度穩定條件下空泡變形的規律, 找出維持航行體運動穩定要求的空泡閉合位置, 以便對運動參數變化范圍提出要求。

1) 來流攻角影響

圖5是不同來流攻角下, 超空泡形成過程中的仿真結果。

圖5 不同攻角α下超空泡形成過程變化曲線

從圖5可以看出, 來流攻角會引起超空泡變形, 使超空泡相對于航行體變得不對稱, 即空泡向上偏移。空泡變形后, 航行體上下表面的閉合點位置將不對稱, 下閉合點前于上閉合點。攻角存在時, 隨著攻角增大, 空泡向上偏移量增大, 使得下閉合點位置前移, 上閉合點逐漸變為開式。當攻角增大到一定程度時, 空泡嚴重變形, 實際中會潰滅, 滿足不了航行體高速穩定運動的要求, 容易造成運動失穩。

2) 空化器舵角影響

當作為前置舵的空化器有舵角存在時, 也會使超空泡發生變形, 在此選擇來流攻角=0°, 通過設置不同的空化器舵角δ, 由仿真計算得到超空泡形成過程中相對于航行體變形的仿真結果, 如圖6所示。

圖6 不同舵角δn下超空泡形成過程變化曲線

由圖6可以看出, 在攻角為0前提下, 當空化器前傾一舵角時, 會使空泡相對于航行體變得不對稱, 即空泡向下偏移。隨著舵角增大, 下閉合點逐漸后移, 上閉合點逐漸前移, 二者之間的位置差逐漸增大。空化器舵角增大到一定值時, 空泡上閉合點位置前移也會造成空泡潰滅和航行體運動失穩。

在實際運動過程中, 航行體的攻角不可能為0, 由攻角產生的空泡上偏移會部分抵消由空化器舵角產生的下偏移, 從而滿足航行體運動穩定對空泡閉合位置的要求。

6 結論

針對人工通氣超空泡工程上難以實現的問題, 開展了對非定常人工通氣超空泡的生成過程和形態變化的數學仿真研究, 建立了通氣超空泡數學模型, 提出了仿真計算方法, 對影響超空泡形態的主要因素即充氣參數和運動參數進行了仿真計算, 得到了如下結論。

1) 水下高速運動航行體只有通過人工通氣的方式, 才能生成滿足航行體運動穩定要求的超空泡;

2) 充氣參數對通氣超空泡生成過程的形狀和大小以及在航行體表面的閉合位置影響很大, 需要針對航行體結構外形和彈道需求來確定充氣參數;

3) 航行體運動參數對空泡變形影響較大, 即正攻角使空泡產生上偏移, 空化器舵前傾使空泡產生下偏移, 二者匹配關系要滿足航行體在空泡包裹下穩定運動時對空泡閉合位置的要求。

[1] Semenenko V N. Artificial Supercavitation Physics and Calculation[C]//VKI Special Course on Supercavitating Flows. Brussels: RTO-AVT and VKI, 2001.

[2] Savchenko Y N. Control of Supercavitation Flow and Stability of Supercavitating Motion of Bodies[C]//VKI Special Course on Supercavitating Flows. Brussels: RTO-AVT and VKI, 2001.

[3] Semenenko V N. Dynamic Processes of Supercavitation and Computer Simulation[C]//VKI Special Course on Super-ca- vitating Flows. Brussels: RTO-AVT and VKI, 2001.

[4] 蔣運華, 安偉光, 安海, 超空泡運動體通氣加速階段非定常過程研究[J]. 彈道學報, 2011, 23(2): 67-71. Jiang Yun-hua, An Wei-guang, An Hai. Study on Unsteady Process of Ventilation Accelerated Motion Stage for Supercavitating Vehicle[J]. Journal of Ballistics, 2011, 23(2): 67- 71.

[5] 張學偉, 魏英杰, 張慶麗, 等. 通氣空泡發展過程及其水動力影響[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2008, 40(7): 1031- 1035, 1054. Zhang Xue-wei, Wei Ying-jie, Zhang Qing-li, et al. Development of Ventilated Cavitation and Its Effect on Hydrodynamics[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2008, 40(7): 1031-1035, 1054.

[6] 陳鑫, 魯傳敬, 吳磊. 通氣超空泡的形態特性研究[J]. 彈道學報, 2005, 17(1):1-7. Chen Xin Lu Chuan-jing, Wu Lei. The Investigation on Morphology of Ventilated Supercavity[J]. Journal of Ballistics, 2005, 17(1):1-7.

[7] Vasin A D. The Principle of Independence of the Cavity Sections Expansion (Logvinovich′s Principle) as the Basis for Investigation on Cavitation Flows[C]//VKI Special Course on Supercavitating Flows. Brussels: RTO-AVT and VKI, 2001.

[8] Paryshev E V. Mathematical Modeling of Unsteady Cavity Flows[C]//5th International Symposium on Cavitation, Osa- ka, Japan, 2003.

Mathematical Simulation of Unsteady Ventilated Supercavitation

WANG Gai-di, Lü Yan-hui, ZOU Qi-ming

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Considering the complex factors concerned in ventilated supercavitation, such as time-variable characteristic, difficult realization and high cost, mathematical simulation of unsteady ventilated supercavitation is studied. Based on the principle of independence of cavity sections expansion(Logvinovich′s principle), an model of unsteady ventilated supercavitation is established, and corresponding simulation method is presented. The factors influencing supercavitation shape are simulated dynamically. Consequently, the supercavitation′s shape change regularity and its relative position to underwater vehicle surface are obtained at different ventilation parameters and moving parameters, and the requirements of cavity close position for satisfying vehicle high-speed steady motion are proposed. This study may offer a reference for designing ventilating system and running capability of an underwater high-speed vehicle.

underwater high-speed vehicle; unsteady; ventilated supercavitation; mathematical simulation

TJ630.1

A

1673-1948(2012)05-0321-05

2012-03-30;

2012-06-06.

王改娣(1964-), 女, 研究員, 主要從事魚雷總體性能和彈道仿真建模研究工作.

(責任編輯: 陳 曦)