超空泡航行器尾部滑行流場特性數值仿真與試驗

張 珂, 孫士明, 顏 開, 王 志, 李 鵬

超空泡航行器尾部滑行流場特性數值仿真與試驗

張 珂, 孫士明, 顏 開, 王 志, 李 鵬1

(中國船舶科學研究中心 水動力學重點實驗室, 江蘇 無錫, 214082)

超空泡航行器尾部滑行升力對運動姿態具有重要影響。文中基于流體體積(VOF)多相流模型, 開展了不同后體攻角下超空泡航行器尾部在空泡內滑行過程的數值仿真, 通過與試驗數據對比驗證了數值仿真的有效性, 并在此基礎上分析了空泡形態及尾部流場壓力的變化規律。研究結果表明: 空泡在沾濕面附近由于壓差作用會向航行器表面卷曲, 并引起向上的飛濺流動, 沾濕面壓力沿空泡輪廓線方向的衰減速度比沿航行器下緣的衰減速度更快。研究結果可為滑行力建模提供參考。

超空泡航行器; 尾部; 滑行升力; 數值仿真; 流場特性

0 引言

超空泡航行器在運動過程中被超空泡包覆, 其尾部穩定浸入水中滑行和尾部周期性拍擊空泡壁面是保持運動基本穩定的2種常見模式[1]。航行器尾部在空泡中沾濕滑行過程的流體動力特性對其運動姿態具有重要影響。滑行升力量值與尾部沾濕面狀態密切相關, 且尾部沾濕部分高壓會影響空泡形態, 引起空泡的局部變形, 因此研究超空泡航行器尾部滑行流場特性具有重要意義。

超空泡航行器尾部滑行力的研究始于Waid等[1]的試驗工作, 其后Logvinovich[2]、Rand[3]、Kulkarni[4]以及Paryshev[5]通過理論研究建立了不同的滑行力模型。Yen[6]和Dzielski等[7]在拖曳水池中研究了圓柱體在水平自由面和空泡中的滑行水動力特性; Moroz[8]和Serebryakov等[9]通過試驗和理論研究分析了圓柱體與空泡的相互作用。數值仿真方面, 李其弢[10]研究了縱擺過程中的超空泡航行器流體動力; 于開平等[11]建立了三維超空泡航行器動力學仿真模型, 對超空泡航行器巡航狀態動力學行為進行了數值仿真; 周景軍等[12-13]通過圓柱體模型和不同攻角下超空泡航行器的數值仿真, 研究了其尾部流體動力特性。目前, 超空泡航行器尾部動力特性的計算通常通過對比空泡形態或航行器整體力等間接方式進行驗證, 而對航行器尾部滑行力測量試驗與對比計算則研究較少。

文中基于流體體積(volume of fluid, VOF)多相流模型, 開展了超空泡航行器圓柱后體在不同攻角下滑行過程的數值仿真, 并通過尾部滑行力流體動力測量試驗數據對比進行了驗證, 在此基礎上分析了空泡形態和壓力等流場特性的變化規律。

1 數值仿真方法

VOF多相流模型中所有流體滿足同一組動量方程, 在整個計算區域上跟蹤每種流體在每個計算單元的體積分數。連續方程和動量方程分別為

計算中應用了重疊網格方法對流場進行劃分。重疊網格方法是一種區域分割與網格組合的策略, 涉及到背景網格和嵌入其內的重疊網格2種網格, 經過挖洞等預處理過程建立不同區域流場變量在網格重疊或嵌套區域邊界上的傳遞關系, 流場信息在重疊區域通過插值方法進行交換和耦合, 最終實現流場域的整體計算。

2 計算模型與網格

計算模型的長度和直徑等參數與水洞試驗模型一致, 計算域與邊界條件如圖1所示。來流采用速度入口邊界, 出口方向采用壓力邊界, 側面采用壁面邊界, 忽略了支柱的影響, 計算模型和計算域選取整個區域的一半, 計算域的高度和寬度分別為225 mm和112.5 mm, 計算域入口與模型前端距離約為模型長度的1.8倍, 計算域出口距模型后端約為模型長度的3.6倍。計算模型直徑為40 mm, 總長度為390 mm, 空化器直徑45 mm。計算采用重疊網格方案, 模型后段為重疊網格區域, 通過重疊區域的轉動實現尾部不同的攻角姿態, 網格在模型附近及尾流區域進行了局部加密, 模型表面網格如圖1所示, 總體網格量約為2.7×106。

3 滑行力水洞測量試驗

圓柱后體滑行流體動力測量試驗在中國船舶科學研究中心多功能高速空泡水洞開展。該水洞為立式循環水洞, 工作段截面為225 mm × 225 mm的正方形, 長度為1.5 m。其主要性能技術指標為: 水速0~25 m/s連續可調, 壓力范圍10~500 kPa。試驗獲得了不同圓柱后體靜態攻角下的滑行面幾何特征及尾部沾濕滑行力特性。

試驗模型為中間斷開的前后兩段, 采用腹支撐的方式安裝在水洞側壁, 如圖2所示。模型前段通過支撐鍵固定在水洞內壁, 模型后段為可以繞轉軸擺動的圓柱后體, 其擺動角度通過外置電機加以控制, 測量滑行力的應變式天平一端通過支撐桿與圓柱后體連接, 另一端通過減速機主軸與控制電機相連。

圖1 計算域與計算網格示意圖

圖2 滑行力測量試驗示意圖

4 數值仿真結果與分析

1) 空泡形態

圖4為模型后體不同攻角下空泡形態數值仿真結果, 為與試驗結果比較, 圖5給出了數值仿真尾部沾濕面狀態。當模型后體局部浸沒沾濕, 空泡在沾濕面附近會發生局部變形, 使得空泡局部輕微向上凸起, 并向內卷曲, 有較薄的液層在模型表面形成向上的飛濺流動(見圖5), 與試驗中的飛濺流動區域(見圖3)對比可知, 模型后體攻角越大, 飛濺流動影響區域越大。在模型后體沾濕面末端, 由于流動分離而形成空泡, 并與主體超空泡連通。數值仿真滑行沾濕面以及空泡形態局部變化特性與試驗規律一致。

圖3 不同攻角下模型后體試驗照片

圖4 不同攻角下模型后體空泡形態

2) 滑行升力

圖6為數值仿真和試驗獲得的升力系數C的對比曲線。可見數值仿真滑行升力系數變化趨勢與試驗結果一致, 量值較試驗結果略微偏大, 驗證了數值仿真方法的有效性。假設滑行浸沒角與攻角近似相等, 則滑行升力隨浸沒角近似呈線性關系。

圖5 模型后體沾濕滑行面數值仿真結果

圖6 數值仿真和試驗升力系數對比

3) 尾部壓力場特性

圖7為模型尾部壓力系數分布等值線圖。從圖中可以看出, 當模型尾部產生浸沒時, 空泡輪廓與模型相交位置駐點壓力最高, 隨后沿軸線方向迅速衰減。從壓力系數分布上看, 壓力沿空泡輪廓線方向的衰減速度比沿模型下緣衰減速度更快, 原因是空泡形態在浸沒區域發生了局部變形, 空泡內卷形成液層的飛濺流動, 造成了空泡輪廓線附近動量的損失。這種趨勢在攻角越大時更加明顯, 對應飛濺流動的區域也越大。而駐點高壓對泡內壓力影響不大。

圖7 模型尾部及對稱面壓力系數分布等值線圖

圖8為模型下緣沿軸線方向壓力系數C分布。從圖中可以看出, 模型圓柱后體的攻角對壓力分布具有明顯影響, 攻角越大, 沾濕區域壓力峰值越高, 但壓力峰值并不與圓柱后體攻角呈線性變化的趨勢。不同攻角下, 在模型下緣末端的壓力較為接近, 均低于浸沒區域前的泡內壓力。

圖8 模型下緣沿軸線方向壓力系數分布曲線

4) 尾部空泡流場速度分布

圖9為模型后體攻角=12°時, 尾部的空泡壁面流線圖, 可見空泡內卷后液層流動方向在前段趨于垂直向上, 在后段趨向空泡輪廓。

圖10為浸沒部分等距離截面示意圖, 圖11為各截面速度矢量圖, 其中黑色實線為截面空泡輪廓。可見在截面1空泡下表面根部形成了向上流動的液層, 空泡根部變形較小。隨著飛濺液層的發展, 從截面1至3空泡根部變形逐漸增大, 液層的垂向速度逐漸減小, 這是由于來流方向沾濕面壓力逐漸衰減, 即沾濕面與泡內壓差沿來流方向減小導致。

圖9 尾部流線圖

圖10 等距離截面示意圖

圖11 不同截面垂向速度等值線圖

5 結論

文中開展了超空泡航行器圓柱后體不同攻角下尾部滑行的數值仿真研究, 并通過尾部滑行力試驗數據對比進行了驗證, 在此基礎上獲得了模型尾部空泡形態、壓力場及速度場的變化規律, 獲得如下結論:

1) 由于沾濕面壓力高于泡內壓力, 空泡在沾濕面附近會發生局部變形, 并向內卷曲, 有液層在模型表面形成向上的飛濺流動;

2) 空泡輪廓與模型相交位置駐點壓力最高, 隨后沿軸線方向迅速衰減。壓力沿空泡輪廓線方向的衰減速度比沿模型下緣衰減速度更快, 模型后體的攻角對壓力分布具有明顯影響, 攻角越大, 沾濕區域壓力峰值越高;

3) 空泡內卷后, 液層流動方向在前段趨于垂直向上, 在后段趨向空泡輪廓, 液層的垂向速度沿來流方向逐漸變小。

文中研究結論可為滑行升力建模提供參考。

[1] Waid R, Kermeen R. Forces on Cylinders Planning on Flat and Curved Surfaces in Cavitating and Non-Cavitating Flow[R]. US: California Institute of Technology, 1957.

[2] Logvinovich G V. Hydrodynamics of flows with free boundaries[M]. Kyiv: Naukova dumka, 1969.

[3] Rand R, Pratap R, Ramani D, et a1. Impact Dynamics of a Supercavitating Underwater Projectile[C]//Proceeding of the 1997 ASME Design Engineering Technical Conferences. USA: Sacramento, California, 1997．

[4] Kulkarni S S, Pratap R. Studies on the Dynamics of a Supercavitating Projectile[J]. Applied Mathematical Mode- lling, 2000, 24(2): 113-129．

[5] Paryshev E V. Approximate Mathematical Models in High-Speed Hydrodynamics[J]. Journal of Engineering Mathematics, 2006, 55(1-4): 41-64.

[6] Yen T, Morabito M, Imas L, et al. Investigation of cylinder Planing on a Flat Free Surface[C]//Proceedings of 11th International Conference on Fast Sea Transportation, American Society of Naval Engineers. USA: Honolulu, Hawaii, 2011.

[7] Dzielski J E, Sammut P, Datla R. Planing-hull Forces and Moments on a Cylindrical Body in a Cavity[C]//Procee- dings of the 8th International Symposium on Cavitation. Singapore: National University of Singapore, 2012.

[8] Moroz V, Kochin V, Serebryakov V, et al. Experimental study of Planning Motion of a Cylinder Along the Nearly Axisymmetric Supercavity Surface[C]//Proceedings of the 10th International Symposium on Cavitation. USA: Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, 2018.

[9] Serebryakov V V, Moroz1 V V, Kochin1 V A, et al. Experimental Study on Planing Motion of a Cylinder at Angle of Attack in the Cavity Formed Behind an Axisymmetric Cavitator[C]//Proceedings of the 32nd Symposium on Naval Hydrodynamics. Germany: Office of Naval Research, Hamburg, 2018.

[10] 李其弢. 通氣超空泡航行器水下擺動運動試驗與模擬[D]. 上海: 上海交通大學, 2009.

[11] 于開平, 張廣, 鄒望, 等. 超空泡航行體縱向平面動力學行為的CFD 分析[J]. 船舶力學, 2014, 18(4): 370-376.Yu Kai-ping, Zhang Guang, Zou Wang, et al. CFD Analysis of the Dynamic Behavior of Supercavitating Vehicle in the Longitudinal Plane[J]. Journal of Ship Mechanics, 2014, 18(4): 370-376.

[12] 周景軍, 于開平, 楊明. 基于均質多相流的超空泡航行體尾部升力數值模擬[J]. 水動力學研究與進展, 2010, 25(1): 113-118.Zhou Jing-jun, Yu Kai-ping, Yang Ming. Numerical Simulation on Lift of Aft Section of Supercavitating Bodies Based on Homogeneous Multiphase Model[J]. Journal of Hydrodynamics, 2010, 25(1): 113-118.

[13] 周景軍, 趙京麗, 項慶睿. 超空泡航行體操縱過程流體動力特性數值模擬研究[J]. 船舶力學, 2018, 22(5): 560-568. Zhou Jing-jun, Zhao Jing-li, Xiang Qing-rui . Numerical Simulation on the Hydrodynamics of Supercavitating Vehicle in the Process of Steering[J]. Journal of Ship Mechanics, 2018,22(5):560-568.

Numerical Simulation and Experiment on Fluid Field Characteristic of Planing for Supercavity Vehicle Tail

ZHANG Ke, SUN Shi-ming, YAN Kai, WANG Zhi, LI Peng

(National Key Laboratory of Science and Technology on Hydrodynamics, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

The planing lift acting on the tail of a supercavitating vehicle has an important influence on its underwater moving posture. In this paper, the volume of fluid (VOF) multiphase flow model was employed to numerically simulate the supercavitating vehicle’s tail planing in cavity at different attack angles. The numerical simulation was verified by comparison with the experimental data. Then, the deformation of the cavity and the variation of the pressure distribution were analyzed. Numerical simulation results showed that the cavity curled towards the vehicle surface near the wetted area with pressure gradient, which produced an upward splashing flow. The decay rate of the pressure along the cavity outline is larger than that along the bottom edge of the vehicle.

supercavity vehicle; tail; planing lift; numerical simulation; fluid field characteristic

O235; U661.1

A

2096-3920(2020)02-0126-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.002

張珂, 孫士明, 顏開, 等. 超空泡航行器尾部滑行流場特性數值仿真與試驗[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(1): 126-130.

2019-12-05;

2020-01-06.

張 珂(1984-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要研究方向為空泡流理論及其應用技術.

(責任編輯: 陳 曦)