一種基于切片法的分層海流下運載器附加擾動力計算方法

邱海強, 袁緒龍, 王亞東, 劉傳龍

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一種基于切片法的分層海流下運載器附加擾動力計算方法

邱海強, 袁緒龍, 王亞東, 劉傳龍

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

由于海流的復雜性, 在水下無動力運載器的彈道計算中, 僅以恒定海流速度求解其附加擾動力的常規方法存在較大誤差, 影響了運載器的出水姿態。本文在用計算流體力學(CFD)方法求得其流體動力無因次系數的基礎上, 采用切片法計算得到運載器的附加擾動力。并對兩種方法在均勻海流和分層海流兩種情況下附加擾動力的計算結果進行了比較, 結果表明, 均勻海流下兩種方法的計算結果一致, 而在分層海流下, 若選擇合適的切片數, 使用切片法的計算結果比常規方法要精確。

切片法; 分層海流; 無動力運載器; 計算流體力學

0 引言

無動力運載器(簡稱運載器)是一種新型特種水下航行器, 可用作干式發射潛艦導彈的運載平臺和發射平臺[1]。計算運載器在海流下的附加擾動力通常采取均勻海流的方法, 即默認海流速度為一定值[2-3]。但在自然情況下, 海流速度與深度有關, 基于此, 均勻海流算法在附加擾動力計算中與運載器現實受力存在一定偏差[4]。

切片法是一種廣泛應用在船舶水動力計算中的方法。假定船體由許多橫向薄片組成, 每片單獨計算, 最后沿船長積分求船體所受作用力。

本文將運載器沿軸向切片, 應用計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)軟件FLUENT 6.3計算在不同攻角下每個切片上產生的阻力、升力和俯仰力矩系數。在仿真計算的每一時間步內, 循環遍歷每一個切片, 首先通過該切片的局部攻角和側滑角插值得出無海流時的流體動力系數, 求得其流體動力和力矩; 然后通過切片中心的高度, 插值求得所在分層海流速度, 結合運載器自身的速度分量, 計算總的氣動攻角和側滑角, 插值求得有海流時的流體動力系數, 進而求得總的流體動力和力矩; 最后計算有無海流下的流體動力和力矩差, 得到分層海流引起的運載器附加擾動力。

1 CFD模型建立與計算

如圖1所示, 根據運載器的外形特征, 將運載器均勻分成73片。切片法需要在計算流體動力系數時具有較高的精確度, 所以要根據運載器的雷諾數建立邊界層, 計算出合理的第1層邊界層厚度, 選擇合理生長比和邊界層層數, 靠近邊界層的外圍流場網格亦可以做得適當細密一點。如圖2所示。將網格導入FLUENT6.3中建立全沾濕湍流流場計算模型進行計算, 使用批處理技術完成0~30°(間隔1°)攻角范圍內的流場計算, 編寫用戶定義函數(user-defined function, UDF)提取每1片的流體動力系數。UDF函數中設置兩重循環, 第1層循環為遍歷每個攻角, 第2層循環遍歷該攻角下的每塊切片, 利用Fluent將以切片中心為參考點的流體動力和力矩系數輸出。

圖1 切片后的運載器

圖2 網格劃分

觀察整個運載器的流體動力參數隨攻角的變化規律, 如圖3所示。繪制全部流體動力參數隨攻角和切片位置的變化曲線, 如圖4所示。

圖3 無因次系數隨攻角的變化規律

圖4 切片無因次系數隨攻角和切片位置的變化

由圖3和圖4可見, CFD仿真所得流體動力系數變化是光滑且連續的, 所以可以用插值法來求任意切片在任意攻角下的流體動力系數。將流體動力系數制成2D數組, 寫入文本文件, 用于C++編程插值。

2 附加擾動力計算的數學模型

根據攻角、總沖角和側滑角查詢插值表, 進行線性插值, 求得在當前角度下其流體動力無因次系數, 進而得到其流體阻力、升力和俯仰力矩, 運載器的側向力和偏航力矩通過對稱原理得到。將求得的附加流體動力輸出到文本文件中, 以便數據處理。

3 計算結果與分析

3.1 均勻海流下切片法與常規方法的一致性

圖5 測試彈道的相關參數隨時間的變化規律

圖6 均勻海流下2種方法的附加擾動力比較

由于所給基準彈道數據是按照無海流計算得到的, 因此在做有海流擾動力計算時, 彈道數據沒有響應變化, 故計算結果有可能較真實值偏大, 但是用于比較2種方法存在的差異以辨別在分層海流下的優劣, 這種比較是有意義的。

3.2 分層海流下切片法與常規方法的差別

圖7是附加流體動力和力矩的曲線。由圖可知, 在海流速度如此小的情況下, 所得的附加俯仰力矩比切片法所得的結果小得多。這是因為常規法忽略了運載器尺度效應, 用質點來代替整個運載器, 在海流速度不恒定的情況下, 因為運載器的布局問題, 運載器各部分流體動力具有差異性, 質點假設下流體附加擾動力計算精度不高。

圖7 分層海流下2種方法的附加擾動力比較

3.3 切片數量對切片法的影響

在分層海流下探討切片數量對切片法的計算結果的影響。將切片數依次減半為37、19片, 如圖8所示。結果表明, 合適的切片數量對計算精度有著重大的影響。切片數量過大, 對于復雜的海況情況, 插值所需的計算時間太長, 不利于計算的實時反映, 進而影響整個彈道的計算和仿真速度; 切片數過少, 計算精度太低, 不能夠準確分析海洋環境對運載器水下彈道的影響, 進而影響其出水姿態, 運載器脫落后, 導彈的初始姿態將耗費發動機較多的過載。

圖8 切片數量對計算精度的影響

4 結論

2) 在分層海流下, 切片法與常規方法有較大差異。基于本測試彈道, 運載器在縱平面內運動, 其附加阻力、附加升力、附加俯仰力矩均差別顯著, 所以用切片法計算分層海流下的附加擾動力是有必要的。

3) 切片數的選擇對于附加擾動力的計算有著非常大的影響。切片數過小, 其值誤差太大; 切片數過多, 增大了計算量, 降低了切片法的工作效率。

4) 切片法的優點在于, 在分層海流作用下其附加擾動力的計算比常規方法要精確; 其缺點在于, 在切片數過小或者出現流體動力變化較大的區域時, 切片的流體動力無因次系數隨攻角和切片中心位置的變化將變得不光滑或不連續, 其插值計算的準確性會急劇下降。

[1] 榮建德. 水下運載器性能的分析與設計[M]. 北京: 國防工業出版, 2008.

[2] 張宇文. 魚雷彈道與彈道設計[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1999.

[3] 傅慧萍. 潛射導彈運載器水彈道動力學系統建模及其應用研究[D]. 西安; 西北工業大學, 2000.

[4] 袁緒龍, 張宇文, 殷崇一, 等. 無動力潛射導彈運載器出水彈道建模與實驗驗證[J]. 彈箭與制導學報, 2003, 23(4): 187-189.Yuan Xu-long, Zhang Yu-wen, Yin Chong-yi, et al. Water-Exit Trajectory Modeling and Experimental Validation of Unpowered Sub Launched Missile Carrier[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2003, 23(4): 187-189.

Calculation of Additional Turbulent Force by Slicing Method for Underwater Unpowered Vehicle under Layered Ocean Current

QIU Hai-qiang, YUAN Xu-long, WANG Ya-dong, LIU Chuan-long

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Conventional additional turbulent force calculation method based on constant ocean current velocity introduces large error in the trajectory calculation of an underwater unpowered vehicle due to complexity of ocean current, which influences the vehicle attitude of water outlet. This paper calculates the additional turbulent forces of the vehicle by using the slicing method based on the non-dimensional hydrodynamic coefficient obtained with CFD method, and compares the forces with the ones from conventional method under even ocean current and layered ocean current. Conclusions are drawn that the results obtained with both conventional and slicing methods are consistent with each other under even ocean current, while the slicing method can achieve more accurate result under layered ocean current by selecting proper slicing number.

slicing method; layered ocean current; unpowered vehicle; computational fluid dynamics(CFD)

TJ630.1

A

1673-1948(2013)05-0337-05

2012-11-13;

2013-04-11.

邱海強(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向水下航行器總體設計、水動力學.

(責任編輯: 陳 曦)