回轉體高速垂直入水沖擊載荷和空泡形態仿真

邱海強, 袁緒龍, 王亞東, 劉傳龍

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回轉體高速垂直入水沖擊載荷和空泡形態仿真

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)

回轉體入水問題對導彈、魚雷等的外形和彈道設計有著深遠影響。本文利用商業軟件FLUENT 6.3, 結合動網格技術和用戶自定義函數(UDF), 使用混合物(MIXTURE)模型對平頭、錐頭和圓頭回轉體在速度為50~150 m/s時的入水過程進行了仿真試驗, 探究速度和頭型對其入水沖擊載荷和空泡形態的影響。試驗結果表明, 回轉體高速入水沖擊載荷峰值發生在入水初期, 且速度增大時, 回轉體沖擊載荷、空泡直徑和長度亦隨之增大, 在速度相同的情況下, 回轉體沖擊載荷、空泡直徑和長度按平頭、錐頭、圓頭的次序依次減小。

回轉體; 入水沖擊; 空泡形態; 混合物模型; 沖擊載荷

0 引言

導彈、深彈、空投魚雷等回轉體從空中進入水中, 均會產生劇烈的沖擊載荷, 可能會導致彈體內部結構破壞和失效, 所以目前這些兵器的入水常采取低速方式。隨著超空泡武器的迅猛發展, 回轉體入水問題正日漸成為一個新的研究熱點。

對于入水問題真正的理論研究開始于20世紀20~30年代。Von Karman于1929年提出了附加質量法計算入水沖擊載荷, 最早采用附加質量代替流體作用來分析入水沖擊問題。進入新世紀以來, 陳宇翔等應用流體體積(volume of fluid, VOF) 函數方法對水平圓柱入水進行了數值仿真, 得出了湍流粘性對沖擊載荷的影響。王永虎對空投雷彈入水沖擊頭型特征進行了分析, 得到細長比對入水沖擊的影響。何春濤等基于RANS方程, 在VOF多相流模型中對垂直入水空泡內部壓強進行了數值研究。

由于目前世界上對于高速入水并沒有比較準確的理論公式, 所以CFD研究結果對超空泡魚雷、水下高速航行器的結構設計和彈道控制具有較大的參考價值。本文利用FLUENT6.3軟件, 結合動網格和用戶自定義函數(user define, UDF)技術, 根據高速狀態下的特征放棄VOF模型, 使用混合物模型(mixture model), 建立了回轉體入水的計算流體力學模型, 分析了頭型和入水速度對沖擊載荷的影響。

1 模型建立

影響回轉體高速垂直入水沖擊載荷和空泡形態的因素較多, 如頭部幾何形狀、長細比、剛度、入水速度、角速度及水面上的大氣狀況等。為了簡化分析, 只考慮頭型和入水速度的影響, 并將回轉體視為剛體。為了減小網格量, 加快收斂速度, 選取如圖1所示長細比為6的計算模型, 因為相似原理, 這樣的簡化是有意義的。

回轉體高速入水時, 會有自由液面變化和空泡現象, 為了保證數值仿真的結果盡量接近真實流動, 故設置φ 300 mm×1 000 mm的圓柱形流場。同時對于其流場邊界應設定為壓力出口, 使其流場內的流動不受人為邊界設置的影響。利用滑移網格技術將流場分為2個區域, 靠近回轉體及其運動路徑的區域設置為動網格區域, 在UDF中設置回轉體的運動參數, 并使用interface技術將2個區域連接起來。

高速垂直入水情況下, 必須考慮水面上空氣壓縮對于回轉體入水沖擊載荷的影響。在入水過程中, 空氣、水蒸氣、液態水三相允許相互貫穿, 并以不同速度運動, VOF模型在此不適用, 應選取混合物模型。

Fluent仿真設置: 1) 使用三相流進行計算, 主相為水, 副相為水蒸氣和可壓縮空氣; 2) 湍流模型選用RNG k-e模型, 壓力速度場耦合方式選用PRESTO!; 3) 需考慮重力影響, 以深度為條件為液面以下流場設置壓力梯度; 4) 開啟空化模型。

按以上設置進行非定常計算, 選取合適的迭代步長和松弛因子, 可以得到較好的收斂性。在仿真過程中利用UDF輸出回轉體的運動參數和受力情況, 并監視流場的密度圖。

2 仿真結果與分析

2.1 入水空泡和沖擊載荷

圖3描述的是速度為50 m/s時平頭回轉體入水階段中水的體積分數圖。

(a)=0 m (b)=0.010 m

(c)=0.024 7 m (d)=0.049 3 m

(e)=0.087 0 m (f)=0.114 4 m

(g)=0.141 0 m (h)=0.293 6 m

圖3 入水階段水體積分數圖

Fig. 3 Water volume fraction contours during water entry

其中: 圖3(a)是入水前回轉體的初始位置; 隨著回轉體的運動, 頭部的壓縮空氣沖擊液面, 如圖3(b); 圖3(c)是回轉體觸水瞬間; 圖3(d)到圖3(h)是回轉體空泡形成到閉合到過程, 圖3(h)空泡剛剛拉斷, 空泡閉合。這一過程與文獻[6]所得的結果是一致的, 空泡形態隨入水深度的變化也與文獻[7]具有高度的一致性。

圖4所示是速度為50 m/s的3種頭型回轉體入水沖擊載荷曲線。

由圖3和圖4可見, 回轉體入水沖擊載荷峰值發生在入水初期。當回轉體頭部觸水時, 沖擊載荷達到峰值, 但峰值寬度較窄。隨著回轉體逐步進入液面以下, 其沖擊載荷逐漸減小; 當回轉體被空泡包裹后, 其沖擊載荷變化趨勢趨緩。此結論與文獻[6]所得結論是吻合的。

2.2 入水速度對沖擊載荷的影響

在回轉體形狀相同的情況下, 入水速度成為影響回轉體入水沖擊載荷的決定因素。

回轉體的空泡形態隨著入水深度的變化而發生變化。對于不同入水速度的回轉體來說, 可以比較其在相同深度時其空泡參數, 也可以比較其空泡拉斷閉合時的空泡形態參數。本文使用的是后一種方法。

圖5為平頭回轉體的入水沖擊載荷曲線, 表1是對應速度的空泡閉合后其特征參數。可以看出, 增大回轉體入水速度, 其沖擊載荷變大, 空泡直徑和長度顯著變大。表2詳細列出系列速度的入水沖擊載荷, 從其中的數據可以看出, 長細比為6回轉體模型的加速度量級在10~10左右。

表1 平頭回轉體空泡形態參數

Tabel 1 Cavity shape parmeters of an axisymmetric body with flat head

速度/m·s-1直徑/m長度/m 500.028 610.159 73 1000.047 180.429 96 1500.072 930.639 92

表2 平頭回轉體沖擊載荷峰值

為了定量表示回轉體入水速度與沖擊峰值的關系, 對仿真值進行了擬合, 公式為=1.908 3, 擬合值與仿真值的誤差均在10%以內。可以得出, 回轉體入水的沖擊峰值與速度的平方成正比。由圖6和表3關于錐頭回轉體的仿真結果可以得到相同的結論。由圖7和表4關于圓頭回轉體的仿真結果亦可得到與平頭相同的結論。

以回轉體入水加速度峰值的70%定義峰值寬度, 得到如表5的數據。可見, 速度增大, 峰值寬度也相應增大。

表3 錐頭回轉體空泡形態參數

Tabel 3 Cavity shape parmeters of an axisymmetric body with cone head

速度/m·s-1直徑/m長度/m 500.024 750.117 59 1000.039 120.387 97 1500.058 200.563 90

表4 圓頭回轉體空泡形態參數

Tabel 4 Cavity shape parmeters of an axisymmetric body with round head

速度/m·s-1直徑/m長度/m 500.017 930.099 94 1000.032 290.367 07 1500.044 700.535 66

表5 入水峰值寬度

2.3 頭型對沖擊載荷的影響

如圖3所示, 在速度為50 m/s時, 平頭回轉體沖擊加速度最大, 錐頭次之, 圓頭最小。表6描述了3種頭型在3種不同速度下的沖擊峰值點, 證明了這一結論的可靠性。從表5中可以看出, 入水沖擊峰值寬度與峰值的變化趨勢相反。

表6 不同頭型回轉體沖擊峰值

比較表1、表3和表4空泡形態參數可知, 回轉體空泡形態與頭型關系密切: 相同的入水速度下, 平頭回轉體空泡半徑和長度最大, 錐頭次之, 圓頭最小。

3 結論

1) 回轉體高速入水沖擊載荷峰值發生在入水初期, 其加速度量級很大, 但峰值寬度極短,在50~150 m/s的速度內其峰值寬度約為0.1 ms;

2) 在回轉體頭型一定的情況下, 其入水沖擊載荷隨速度的增大而增大, 峰值和峰值寬度增大, 空泡直徑和長度也明顯增大, 且其沖擊載荷峰值與速度的平方成正比;

3) 在回轉體入水速度一定的情況下, 按照平頭、錐頭、圓頭的順序, 其入水沖擊載荷、空泡直徑和長度減小, 其峰值寬度增大。

[1] Von Karman T. The Impact of Seaplane Floats During Landing[R]. Washington DC: National Advisory Committee for Aeronautics, NACA Technical Notes 321, 1929.

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(責任編輯: 陳 曦)

Simulation on Impact Load and Cavity Shape in High Speed Vertical Water Entry for an Axisymmetric Body

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

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

The problem of high-speed water entry of an axisymmetric body greatly influences the design of shape and trajectory for a torpedo or a missile. This paper simulates the impact and cavity shape in water entry of different head shapes, such as flat head, cone head, and round head, at the velocity between 50 ~150 m/s with the commercial software FLUENT6.3 combining with the dynamic mesh, user-define function(UDF) and MIXTURE model. Conclusions are drawn that the peak of impact load appears in the primary period of the water entry; the impact load and the cavity′s length and diameter increase with the increasing velocity; while the impact load and the cavity′s length and diameter decrease in the order of flat head, cone head, and round head when the bodies have same velocity.

axisymmetric body; water entry impact; cavity shape; MIXTURE model; impact load

TJ630.1

A

1673-1948(2013)03-0161-04

2012-09-21;

2012-10-16.

邱海強(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向水下航行器彈道設計、流體力學.