截面邊數(shù)和運動速度對水下聲彈運動特性的影響

張弛宇, 彭琪琪, 馬 駿, 陳建華, 王 棟

截面邊數(shù)和運動速度對水下聲彈運動特性的影響

張弛宇1, 彭琪琪1, 馬 駿1, 陳建華1, 王 棟2

(1. 中國兵器工業(yè)第213研究所, 陜西 西安, 710061; 2. 北方特種能源集團有限公司, 陜西 西安, 710061)

聲彈作戰(zhàn)效能的好壞很大程度上取決于聲彈的運動特性。文中基于FLUENT軟件中S-A湍流模型的分離渦仿真(DES)模型, 以雷諾數(shù)=2.5×106為例, 研究了水下聲彈運動的流場特性, 并與已知的研究成果進行了對比, 確定了DES模型應(yīng)用在高雷諾數(shù)下仿真的準(zhǔn)確性。并在此基礎(chǔ)上研究了平均阻力系數(shù)、升力系數(shù)及斯特勞哈爾數(shù)受水下聲彈表面截面邊數(shù)和運動速度的影響。研究可知: 1) 平均升力系數(shù)隨著運動速度的增大而減小, 斯特勞哈爾數(shù)隨著運動速度的增大而增大; 2) 當(dāng)雷諾數(shù)相等、截面邊數(shù)不同時, 平均阻力系數(shù)隨著截面邊數(shù)的增加而減小, 斯特哈爾數(shù)隨著截面邊數(shù)的增加而增大; 3) 正四邊形和圓形聲彈渦街脫落的頻率單一固定, 故相比其他結(jié)構(gòu)的聲彈, 容易引發(fā)彈體共振, 產(chǎn)生破壞; 4) 正六邊行和正八邊形聲彈渦街脫落的頻率不固定, 結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生破壞。文中的研究可為合理設(shè)計聲彈結(jié)構(gòu)、提高作戰(zhàn)效能提供參考。

水下聲彈; 流場特性; 分離渦仿真; 雷諾數(shù)

0 引言

水下武器系統(tǒng)運動研究早在20世紀60~90年代就已經(jīng)展開, 國外學(xué)者史里希廷[1]和Ach- enbach[2]分別對來流速度100 m/s以下(<1×107)和6×104<<2×106的單圓柱水下運動特性進行了試驗研究, 并取得重要研究成果。近年來, 隨著對海洋探索以及對海洋資源的爭奪愈發(fā)激烈, 各軍事強國更加注重加強海上軍事力量, 不斷加大海洋武器系統(tǒng)的研發(fā)。

水下聲彈作為水中戰(zhàn)略性武器, 其水下運動可視作典型的柱體繞流[3]。已知研究表明, 水下聲彈運動在某種情況下會產(chǎn)生卡門渦街現(xiàn)象, 簡單地說, 出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象會產(chǎn)生周期性變化的升、阻力, 導(dǎo)致彈體發(fā)生振動, 當(dāng)振動頻率與聲彈自身頻率接近時, 發(fā)生共振現(xiàn)象, 增大彈體運動阻力和噪音, 對聲彈造成破壞[4]。因此, 針對彈體水下運動特性的研究極為重要。目前, 受理論和試驗研究的諸多條件限制, 使得仿真成為研究武器系統(tǒng)水下運動的有效手段。已知關(guān)于彈體水下運動的文獻多采用大渦模擬(large eddy simulation, LES)湍流模型, 雷諾數(shù)在1×106以下, 但LES模型存在計算時間長和網(wǎng)格數(shù)量多等缺點[5]。雷諾平均N-S模型(Reynolds average Navier-Stockes, RANS)雖然計算量小, 但難以合理預(yù)測非定常柱體繞流[6]。1997年, Spalart[7]在前人研究基礎(chǔ)上, 提出了分離渦仿真(detach eddy simulation, DES)方法, DES模型是將RANS與LES結(jié)合起來, 綜合二者優(yōu)勢, 解決了單獨模型存在的問題, 成為當(dāng)前主要的研究方法。文中首先通過S-A(spalart-allmaras)模型下的DES方法仿真得出了聲彈在雷諾數(shù)為2.5×106時, 聲彈水下運動所受的平均阻力系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù), 并對比已知的試驗結(jié)果, 驗證了DES模型針對高雷諾數(shù)研究的準(zhǔn)確性, 得出了圓柱型聲彈在雷諾數(shù)為2.5×106時, 運動產(chǎn)生的卡門渦街現(xiàn)象, 最后分析了聲彈截面邊數(shù)和運動速度對運動特性的影響[8]。

1 仿真模型建立

1.1 仿真方案

圖1為聲彈運動流場區(qū)域示意圖。圖中, 聲彈直徑=100 mm。根據(jù)文獻[6]~[8]設(shè)定矩形計算流場尺寸長為40, 寬為16, 取上游區(qū)域為8, 下游區(qū)域為32, 聲彈圓心為坐標(biāo)原點(=0,=0), 且圓心到上下邊界的距離均為8。文中假設(shè)聲彈靜止不動, 給予水介質(zhì)相對速度=25 m/s, 密度998.2 kg/m3, 動力粘度1.003×10–3kg/(m·s), 方向沿軸正方向, 此時可以忽略上下壁面邊界對仿真結(jié)果的影響。

圖1 聲彈運動仿真區(qū)域圖

仿真方案中, 聲彈水下運動速度為25 m/s, 因此雷諾數(shù)2.5×106。

1.2 網(wǎng)格劃分及湍流模型

為保證計算結(jié)果, 提高計算速度, 將仿真區(qū)域劃分為9個, 采用O型拓撲結(jié)構(gòu)對聲彈中心處的網(wǎng)格進行加密, 網(wǎng)格密度從中心向四周逐漸減弱, 如圖2所示。

圖2 流場網(wǎng)格及柱體外圍網(wǎng)格

2 水下聲彈運動特性影響因素分析

2.1 水下運動特性參數(shù)

描述水下聲彈運動特性的重要參數(shù)是升力系數(shù)C、阻力系數(shù)C和斯特勞哈爾數(shù),三者分別定義為

式中:1為聲彈受到的橫向力;F為聲彈受到的流動方向的力;為旋渦脫落頻率,u為水介質(zhì)運動速度。

圖3為C和C在一段時間范圍內(nèi)變化規(guī)律, 可知, 穩(wěn)定計算后,C和C隨時間變化規(guī)律呈正弦曲線。且在一定時間范圍內(nèi),C變化周期是C的2倍。這是由于上渦、下渦脫落各引起阻力變化一次, 共同影響升力變化一次, 這與之前關(guān)于圓柱繞流的研究成果相同。由圖 4 可知, 在頻率 50 Hz 左右, 升力自功率頻譜達到最大。圖中,為幅值。

圖3 升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨時間變化曲線

圖4 升力自功率頻譜

表1是來流速度為25 m/s, 雷諾數(shù)為25×106時, 計算所得C、C以及。由表中可知, 文中和文獻[9]的C都大于文獻[1]的值, 這是因為水介質(zhì)在負壓情況下會產(chǎn)生卷吸作用, 因此計算阻力系數(shù)要大于試驗值[10]。和文獻[1]更接近。可以看出, 在誤差允許的范圍內(nèi), 基于DES模型研究高雷諾數(shù)下彈體水中運動是可行的。

2.2 卡門渦街現(xiàn)象分析

從仿真結(jié)果可以看出, 水下聲彈在一定運動條件下, 當(dāng)水介質(zhì)流動至聲彈尾部, 會出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象, 如圖5所示。

圖6為一個周期的渦量變化圖, 可以看出, 渦旋從柱體上下側(cè)周期性地交替脫落, 尾流區(qū)形成反向旋轉(zhuǎn)的渦對, 隨著時間的增加, 渦旋遠離圓心, 向圓柱中心線處移動, 直至脫落。當(dāng)渦街脫落頻率和彈體固有頻率接近時, 會引發(fā)聲彈共振, 造成彈體結(jié)構(gòu)破壞[11]。

表1 文中方法與文獻結(jié)果對比

圖5 卡門渦街現(xiàn)象圖

圖6 1個周期內(nèi)的渦量變化圖

2.3 聲彈截面邊數(shù)對運動特性參數(shù)的影響

選取橫截面為正四邊形、正六邊形、正八邊形的子彈為研究對象, 并與圓形截面聲彈進行對行對比。仿真條件為外切圓直徑100 mm, 來流速度 50 m/s, 雷諾數(shù)為5.0×106。

圖7為不同截面邊數(shù)的聲彈在流場中的相對關(guān)系位置圖; 圖8為不同截面邊數(shù)彈體網(wǎng)格圖。

圖7 不同截面邊數(shù)聲彈在流場中相對關(guān)系位置示意圖

圖9為仿真得出的不同截面邊數(shù)聲彈的C和C時間歷程曲線。由圖可知, 截面邊數(shù)為正四邊形和圓形的C在流場穩(wěn)定后, 趨向于單周期性波動, 渦街脫落的頻率單一固定, 較其他截面結(jié)構(gòu)更易引發(fā)共振; 正六邊形的C和C趨向于多周期和大幅值的波動, 正八邊形的C和C單周期性和規(guī)律性較差, 正六邊形和正八邊形渦街脫落的頻率不固定, 聲彈結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生共振破壞[12]。

圖8 不同截面邊數(shù)彈體網(wǎng)格圖

圖10為不同橫截面邊數(shù)、相同雷諾數(shù)下,C和的變化趨勢圖。由圖可知,C隨截面邊數(shù)增加而減小,隨截面邊數(shù)增加而增大[13]。

圖9 不同截面邊數(shù)聲彈的Cl和Cd時間歷程曲線

圖10 不同截面邊數(shù)聲彈Cd和St變化趨勢

2.4 聲彈水下速度對運動特性參數(shù)的影響

以圖2模型和參數(shù)設(shè)置來研究聲彈來流速度對C和的影響, 仿真方案設(shè)計表3所示。

通過仿真得到不同來流速度下C和, 結(jié)果示于圖11, 可知C隨著來流速度的增大而減小,隨來流速度的增大而增大。研究結(jié)果與史里希廷邊界層理論試驗結(jié)果的變化趨勢基本吻合[14]。

3 結(jié)論

文中基于FLUENT軟件中S-A湍流模型的DES模型, 研究了水下聲彈運動的流場特性, 并對截面為圓形和正四、六、八邊形的彈體進行了二維數(shù)值仿真研究, 得出如下結(jié)論:

表3 不同水下速度聲彈運動仿真方案

圖11 不同來流速度下Cd和St變化曲線

1) 在=2.5×106時, 聲彈水中運動所受C、C和的大小和相互之間的變化規(guī)律與已知數(shù)據(jù)一致, 證明了DES模擬高雷諾數(shù)下物體水中運動流場特性的準(zhǔn)確性;

2) 相同雷諾數(shù)下, 不同截面邊數(shù)的聲彈水中運動時,C隨著邊數(shù)的增加而減小,隨著邊數(shù)的增加而增大;

3) 截面為正四邊形和圓形的聲彈渦街脫落的頻率單一固定, 相比于正六邊形和正八邊形更易引發(fā)彈體共振, 因此, 在設(shè)計聲彈時, 應(yīng)避免截面為正四邊形和圓形。

文中研究了水下聲彈截面邊數(shù)和運動速度對運動特性的影響, 研究成果對聲彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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Influences of the Number of Cross-Section Edges and Velocity on the Motion Characteristics of Underwater Acoustic Projectile

ZHANG Chi-yu1, PENG Qi-qi1, CHEN Jian-hua1, WANG Dong2

(1. The 213 Research Institute of China Ordnance Industry, Xi’an 710061, China; 2.North Special Energy Group, Xi’an 710061, China)

The operational effectiveness of an acoustic projectile depends largely on its motion characteristics. Based on the detach eddy simulation(DES) model of the S-A turbulence model in FLUENT software, the flow field characteristics of underwater acoustic projectile motion are investigated with Reynolds number=2.5×106as an example, and the accuracy of the simulation on the basis of the DES model under the high Reynolds number is demonstrated by comparing the investigation results with the known research results. The influences of the number of underwater acoustic projectile cross-section edges and motion velocity on the average drag coefficient, lift coefficient and Strouhal number are analyzed. The results show that: 1) the average lift coefficient decreases but the Strouhal number increases with the increase of the motion velocity; 2) when the Reynolds number is equal and the number of cross-section edges is different, the average drag coefficient decreases but the Strouhal number increases with the increase of the number of cross-section edges; 3) compared with other acoustic projectile structures, the square and circular structures have single and fixed falling-off frequency of vortex street, so they are easy to cause resonance and damage of projectile; and 4) the vortex street falling-off frequencies of the hexagonal and octagonal acoustic projectiles are not fixed, and these two structures are not easy to be damaged. This research may provide reference for rational design of acoustic projectile structure and improvement of operational effectiveness.

underwater acoustic projectile; flow field characteristic; detach eddy simulation(DES); Reynolds number

TJ6; O357.4

A

2096-3920(2020)03-0291-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.008

2019-08-07;

2019-10-09.

張弛宇(1991-), 男, 碩士, 主要研究方向為彈藥精確化與智能化.

張弛宇, 彭琪琪, 馬駿, 等. 截面邊數(shù)和運動速度對水下聲彈運動特性的影響[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2020, 28(3): 291-295.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)