圓柱出筒過程水阻動力特性研究

蔣龍杰

摘 ?要：本文采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型，基于STAR-CCM+軟件平臺，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，對圓柱水下垂直出筒過程中的非定常流場進(jìn)行仿真。獲得并分析圓柱體出筒過程中的壓差阻力系數(shù)曲線、摩擦阻力系數(shù)曲線，對工程設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水阻動力特性;重疊網(wǎng)格;多相流

引言

圓柱體在水下筒中發(fā)射過程受到的阻力主要包括壓差阻力和摩擦阻力，一般情況下，摩擦阻力占比大于壓差阻力，甚至可以占航行總阻力的70%～80% [1]。盡管筒內(nèi)運(yùn)動階段的運(yùn)動距離和時(shí)間比較短，但會形成復(fù)雜多相流場，影響圓柱體運(yùn)動的穩(wěn)定性[2]。

對于圓柱體在筒內(nèi)運(yùn)動過程中的流場情況，Chris J.Weiland等研究了不同發(fā)射深度和橫向流對垂直發(fā)射導(dǎo)彈的彈道的影響[3]。國內(nèi)外主要對圓柱體外流場進(jìn)行了研究，而對出筒過程中圓筒受力特性的研究相對較少，本文利用數(shù)值仿真方法研究水下發(fā)射過程的非定常流場，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，并結(jié)合求解非定常雷諾平均N-S方程，重點(diǎn)仿真分析一定條件下圓柱的壓差阻力和摩擦阻力變化，為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

描述水下圓柱出筒過程的數(shù)學(xué)模型主要包括流體控制方程、湍流模型和空化模型。

1.1流體控制方程

流體控制方程包括混合物的連續(xù)方程、動量方程和能量方程。

1.2 湍流模型

3受力分析

圖1右邊為圓柱出筒過程中阻力變化曲線，在初始階段，壓差阻力系數(shù)和摩擦阻力系數(shù)均非常小，過了某一時(shí)間段后，摩擦阻力迅速增大，變化劇烈;在出筒過程中壓差阻力系數(shù)增加緩慢，從圖中可以看出，在圓柱出筒過程中，阻力中起主要作用的為摩擦阻力。

4 結(jié)論

本文在VOF多相流模型基礎(chǔ)上，采用 湍流模型，Singhal空化模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)，求解了非定常雷諾平均N-S方程，對圓柱垂直出筒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到的結(jié)論如下：摩擦阻力系數(shù)和壓差阻力系數(shù)在開始階段均比較小，之后摩擦阻力先于壓差阻力迅速上升，過了某一階段后，壓差阻力緩慢增大，影響圓柱出筒過程水阻動力特性的主要是摩擦阻力。

參考文獻(xiàn)

[1] ?Semenenko V N. Artificial supercavitation physics and calculation [C]. RTO of NATO. RTO Lecture Series on Supercavitating Flows. Brussels，Belgium：2001，EN-010-11.

[2] ?黃壽康.流體動力·彈道·載荷·環(huán)境[M].北京：宇航出版社，1991：165-180.

[3] ?PAVLOS W，YAGLA J J. Concept analysis and laboratory observations on a water piercing missile launcher[J].Ocean Engineering，2010，3（9）：959-965.