回转体高速垂直入水冲击载荷和空泡形态仿真

邱海强, 袁绪龙, 王亚东, 刘传龙



回转体高速垂直入水冲击载荷和空泡形态仿真

邱海强, 袁绪龙, 王亚东, 刘传龙

(西北工业大学航海学院, 陕西西安, 710072)

回转体入水问题对导弹、鱼雷等的外形和弹道设计有着深远影响。本文利用商业软件FLUENT 6.3, 结合动网格技术和用户自定义函数(UDF), 使用混合物(MIXTURE)模型对平头、锥头和圆头回转体在速度为50~150 m/s时的入水过程进行了仿真试验, 探究速度和头型对其入水冲击载荷和空泡形态的影响。试验结果表明, 回转体高速入水冲击载荷峰值发生在入水初期, 且速度增大时, 回转体冲击载荷、空泡直径和长度亦随之增大, 在速度相同的情况下, 回转体冲击载荷、空泡直径和长度按平头、锥头、圆头的次序依次减小。

回转体; 入水冲击; 空泡形态; 混合物模型; 冲击载荷

0 引言

导弹、深弹、空投鱼雷等回转体从空中进入水中, 均会产生剧烈的冲击载荷, 可能会导致弹体内部结构破坏和失效, 所以目前这些兵器的入水常采取低速方式。随着超空泡武器的迅猛发展, 回转体入水问题正日渐成为一个新的研究热点。

对于入水问题真正的理论研究开始于20世纪20~30年代。Von Karman于1929年提出了附加质量法计算入水冲击载荷, 最早采用附加质量代替流体作用来分析入水冲击问题。进入新世纪以来, 陈宇翔等应用流体体积(volume of fluid, VOF) 函数方法对水平圆柱入水进行了数值仿真, 得出了湍流粘性对冲击载荷的影响。王永虎对空投雷弹入水冲击头型特征进行了分析, 得到细长比对入水冲击的影响。何春涛等基于RANS方程, 在VOF多相流模型中对垂直入水空泡内部压强进行了数值研究。

由于目前世界上对于高速入水并没有比较准确的理论公式, 所以CFD研究结果对超空泡鱼雷、水下高速航行器的结构设计和弹道控制具有较大的参考价值。本文利用FLUENT6.3软件, 结合动网格和用户自定义函数(user define, UDF)技术, 根据高速状态下的特征放弃VOF模型, 使用混合物模型(mixture model), 建立了回转体入水的计算流体力学模型, 分析了头型和入水速度对冲击载荷的影响。

1 模型建立

影响回转体高速垂直入水冲击载荷和空泡形态的因素较多, 如头部几何形状、长细比、刚度、入水速度、角速度及水面上的大气状况等。为了简化分析, 只考虑头型和入水速度的影响, 并将回转体视为刚体。为了减小网格量, 加快收敛速度, 选取如图1所示长细比为6的计算模型, 因为相似原理, 这样的简化是有意义的。

回转体高速入水时, 会有自由液面变化和空泡现象, 为了保证数值仿真的结果尽量接近真实流动, 故设置φ 300 mm×1 000 mm的圆柱形流场。同时对于其流场边界应设定为压力出口, 使其流场内的流动不受人为边界设置的影响。利用滑移网格技术将流场分为2个区域, 靠近回转体及其运动路径的区域设置为动网格区域, 在UDF中设置回转体的运动参数, 并使用interface技术将2个区域连接起来。

高速垂直入水情况下, 必须考虑水面上空气压缩对于回转体入水冲击载荷的影响。在入水过程中, 空气、水蒸气、液态水三相允许相互贯穿, 并以不同速度运动, VOF模型在此不适用, 应选取混合物模型。

Fluent仿真设置: 1) 使用三相流进行计算, 主相为水, 副相为水蒸气和可压缩空气; 2) 湍流模型选用RNG k-e模型, 压力速度场耦合方式选用PRESTO!; 3) 需考虑重力影响, 以深度为条件为液面以下流场设置压力梯度; 4) 开启空化模型。

按以上设置进行非定常计算, 选取合适的迭代步长和松弛因子, 可以得到较好的收敛性。在仿真过程中利用UDF输出回转体的运动参数和受力情况, 并监视流场的密度图。

2 仿真结果与分析

2.1 入水空泡和冲击载荷

图3描述的是速度为50 m/s时平头回转体入水阶段中水的体积分数图。

(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

图3 入水阶段水体积分数图

Fig. 3 Water volume fraction contours during water entry

其中: 图3(a)是入水前回转体的初始位置; 随着回转体的运动, 头部的压缩空气冲击液面, 如图3(b); 图3(c)是回转体触水瞬间; 图3(d)到图3(h)是回转体空泡形成到闭合到过程, 图3(h)空泡刚刚拉断, 空泡闭合。这一过程与文献[6]所得的结果是一致的, 空泡形态随入水深度的变化也与文献[7]具有高度的一致性。

图4所示是速度为50 m/s的3种头型回转体入水冲击载荷曲线。

由图3和图4可见, 回转体入水冲击载荷峰值发生在入水初期。当回转体头部触水时, 冲击载荷达到峰值, 但峰值宽度较窄。随着回转体逐步进入液面以下, 其冲击载荷逐渐减小; 当回转体被空泡包裹后, 其冲击载荷变化趋势趋缓。此结论与文献[6]所得结论是吻合的。

2.2 入水速度对冲击载荷的影响

在回转体形状相同的情况下, 入水速度成为影响回转体入水冲击载荷的决定因素。

回转体的空泡形态随着入水深度的变化而发生变化。对于不同入水速度的回转体来说, 可以比较其在相同深度时其空泡参数, 也可以比较其空泡拉断闭合时的空泡形态参数。本文使用的是后一种方法。

图5为平头回转体的入水冲击载荷曲线, 表1是对应速度的空泡闭合后其特征参数。可以看出, 增大回转体入水速度, 其冲击载荷变大, 空泡直径和长度显著变大。表2详细列出系列速度的入水冲击载荷, 从其中的数据可以看出, 长细比为6回转体模型的加速度量级在10~10左右。

表1 平头回转体空泡形态参数

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

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

表2 平头回转体冲击载荷峰值

为了定量表示回转体入水速度与冲击峰值的关系, 对仿真值进行了拟合, 公式为=1.908 3, 拟合值与仿真值的误差均在10%以内。可以得出, 回转体入水的冲击峰值与速度的平方成正比。由图6和表3关于锥头回转体的仿真结果可以得到相同的结论。由图7和表4关于圆头回转体的仿真结果亦可得到与平头相同的结论。

以回转体入水加速度峰值的70%定义峰值宽度, 得到如表5的数据。可见, 速度增大, 峰值宽度也相应增大。

表3 锥头回转体空泡形态参数

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

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

表4 圆头回转体空泡形态参数

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

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

表5 入水峰值宽度

2.3 头型对冲击载荷的影响

如图3所示, 在速度为50 m/s时, 平头回转体冲击加速度最大, 锥头次之, 圆头最小。表6描述了3种头型在3种不同速度下的冲击峰值点, 证明了这一结论的可靠性。从表5中可以看出, 入水冲击峰值宽度与峰值的变化趋势相反。

表6 不同头型回转体冲击峰值

比较表1、表3和表4空泡形态参数可知, 回转体空泡形态与头型关系密切: 相同的入水速度下, 平头回转体空泡半径和长度最大, 锥头次之, 圆头最小。

3 结论

1) 回转体高速入水冲击载荷峰值发生在入水初期, 其加速度量级很大, 但峰值宽度极短,在50~150 m/s的速度内其峰值宽度约为0.1 ms;

2) 在回转体头型一定的情况下, 其入水冲击载荷随速度的增大而增大, 峰值和峰值宽度增大, 空泡直径和长度也明显增大, 且其冲击载荷峰值与速度的平方成正比;

3) 在回转体入水速度一定的情况下, 按照平头、锥头、圆头的顺序, 其入水冲击载荷、空泡直径和长度减小, 其峰值宽度增大。

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

[2] 陈宇翔, 郜冶, 刘乾坤. 应用VOF方法的水平圆柱入水数值模拟[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2011, 32(11): 1439- 1442. Chen Yu-xiang, Gao Ye, Liu Qian-kun. Numerical Simulation of Water-entry in a Horizontal Circular Cylinder Using the Volume of Fluid (VOF) Method[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2011, 32(11): 1439-1442.

[3] 王永虎. 空投雷弹入水冲击头型特性参数分析[J]. 航空计算技术, 2010, 40(11): 14-17.Wang Yong-hu. Nose Performance Description Coeffi- cience of Airborne Torpedo and Deep-mine during Water- entry Impact[J]. Aeronautical Computing Techbique, 2010, 40(11): 14-17.

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[7] 安伟光, 蒋运华, 安海. 运动体高速入水非定常过程研究[J]. 工程力学, 2011, 28(3): 251-256.An Wei-guang, Jiang Yun-hua, An Hai. The Unsteady Water Entry Process Study of High-speed Vehicle[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(3): 251-256.

(责任编辑: 陈 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.

邱海强(1989-), 男, 在读硕士, 研究方向水下航行器弹道设计、流体力学.