非稳态超空泡流动的数值模拟

【装备理论与装备技术】

非稳态超空泡流动的数值模拟

赵怡，刘平安，苗成林

(哈尔滨工程大学 航天工程系，哈尔滨150001)

摘要：采用理论分析和数值模拟相结合的方法，对水下超高速运动体自然空化形成超空泡形态问题展开研究。分析了水下超高速运动体在不同速度下超空泡形态的变化规律，比较不同速度下空泡脱落计算结果的异同。通过数值模拟，验证了LES数值模拟与试验结果的关系，以及评估非稳态空泡流的计算模拟能力。

关键词：多相流模型；超空泡；LES模型

收稿日期：2014-08-29

基金项目：中央高校基本科研基金(HEUCFD1404)

作者简介：赵怡(1990—)，女，硕士研究生，主要从事固体火箭发动机燃烧、流动及内弹道研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.018

中图分类号：TV131.3+2

文章编号：1006-0707(2015)01-0064-04

本文引用格式：赵怡，刘平安，苗成林.非稳态超空泡流动的数值模拟[J].四川兵工学报，2015(1):64-67.

Citationformat:ZHAOYi,LIUPing-an,MIAOCheng-lin.NumericalSimulationofUnsteadyCavitatingFlow[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):64-67.

NumericalSimulationofUnsteadyCavitatingFlow

ZHAOYi,LIUPing-an,MIAOCheng-lin

(CollegeofAerospaceandCivilEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:The supercavity form which is formed by the natural cavitation of the ultra-high-speed underwater moving body was researched by using the method of the combination of theoretical analysis and numerical simulation, which aims to study the motion state of the supercavity form and to compare the similarities and differences of the vacuoles off calculations at different speeds. The relationship between LES simulation and experimental results was verified by using the method of numerical simulations to assess the capacity of numerical simulation of unsteady cavitating flow.

Keywords:multiphaseflowmodel;supercavitation;LESmodel;

发展水中高速兵器的关键在于大幅减少兵器的运动阻力，水中运动阻力可以分为压差阻力与黏性阻力，为减小压差阻力可以优化运动体外形[1]。因黏性阻力占总阻力的大部分，所以减小黏性阻力至关重要，其方法有很多，如在运动介质中增加高分子溶剂、吸出或吹出边界层、采用柔性壁面、利用减阻涂层、安装顺流肋条、调节壁面温度等，但这些方法十分有限，目前水下减租最有效的方法就是采用超空泡技术[2]。

对水下运动体来说，人工通气超空泡运动的减阻，在数量上要低于自然汽化超空泡运动的减阻。随着超空泡技术的不断发展和完善，可大大提高潜水艇、舰只等的航行速度[3]。我国对模拟空泡多相流模型已做了许多研究，探讨了轴对称体超空泡流动问题[4]。

1数值模拟

空泡流动主要为湍流运动[5]，模拟湍流运动采用的是LES模型[6]，压力梯度采用PRESTO!格式离散，动量方程的差分格式采用中心差分格式，压力-速度耦合采用PISO算法。研究基于Mixture多相流模型，并结合输运方程，用简单几何外形的水下航行体模型，数值模拟非稳态超空泡流动现象。

2非稳态超空泡数值研究

2.1主要内容

采用Mixture两相流模型模拟轴对称运动体在不同速度下的超空泡流。目的是分析在不同速度的情况下，超空泡形态的变化和超空泡内部参数的变化规律，进而分析空泡脱落现象。空化泡是液体流动在一定压力和一定温度下发生的汽化或气化现象，前者称为含汽型空化泡，后者称为含气型空化泡，并统称为空化泡，常简称为空化或空泡。空化是水流或液流在低压处突然发生的空泡(汽化或气化空穴)现象。

空化数

(1)

式中：p∞为参考流体的绝对压力；pv为液体的汽化压强；U∞为参考流体的运动速度；ρ为液体密度。

流体物性参数：水的汽化压强pv=3 540Pa，参考流体的绝对压力p∞=101 325Pa，液体密度ρ=1 000kg/m3。运动体在不同速度下通过式(1)可计算出空化数，通常，自然超空泡流的产生要求自然汽化空化数小于0.1。

2.2建模

本文主要研究的是细锥形航行体的超空泡流动，因航行体为轴对称运动体，所以把模型简化为二维模型。弹体长l=1.2m，直径d=0.1m，采用如图1所示矩形结构化网格对流场计算域进行划分，并按需求对弹体进行局部网格加密，情况如图2，外流场长为12m。

图1　运动体整体尺寸

图2　模型局部网格划分情况

2.3数值计算

速度入口参数设置如表1所示。

表1　速度入口参数设置

2.4数据处理

2.4.1开始阶段

1) 算例1

图3为运动体速度为80m/s时，空泡形成初期，不同时刻的外流场密度云图。观察图片发现，空泡从形成开始逐渐变长，随时间的增加达到一定长度后开始脱落，脱落从空泡尾部较快完成。

2) 算例2

图4展示的是运动体速度为100m/s时，空泡形成初期，不同时刻的外流场密度云图。观察图片发现，与上一算例相同空泡也出现拖尾现象，脱落从空泡尾部较快完成第一次脱落。但是紧接着出现了二次脱落，使空泡又一次变短。

图4　空泡脱落过程云图

3) 算例3

经观察发现，速度为130m/s时的空泡脱落现象比1、2算例更明显(见图5)。仔细观察可以发现图5(c)也发生了二次脱落，且脱落时间更短才使得脱落现象明显。本次模拟与实验[9]结果吻合较好，说明大涡模拟的方法有效。

图5　空泡脱落过程云图

把图3(e)、图4(e)和图5(e)进行比较，可以发现速度越大，脱落后的空泡长度越短，即在空泡上发生断裂的部位越靠前。在这3个算例中，速度越大脱落得越快，实验中加速时尾部空泡脱落实照如图6所示。

图6　实验中加速时尾部空泡脱落实照

2.4.2稳定阶段

以上3个算例在接下来的一段时间内均无明显的脱落现象，虽然空泡的长度始终不稳定，但变化不大，可近似稳定状态。在弹身后方轴线上和非轴线上分别取两点1、2，计算中监测两点的压力和速度(见图7～图10)。

图7　点1轴向速度-时间图

图8　点1空化数-时间图

图9　点2轴向速度-时间图

图10　点2空化数-时间图

经过观察发现，水和空气在流体黏性、壁面效应等因素的作用下不断地进行无规则运动，各处的压力和速度随着时间而不断地发生改变，速度和压力没有一定的变化规律，且波动较大。

3结论

采用CFD软件FLUENT，基于Mixture多相流模型，湍流输运方程和各相的连续性方程，数值模拟了超空泡的复杂流动现象。

本文就非稳态超空泡的流动情况进行模拟，用大涡模拟的方法，通过不断地修改尝试， 1.2m的弹体模型的数值模拟计算结果与实验数据吻合较好。经比较发现，空泡脱落现象只明显地发生在初始阶段，且速度越大脱落的时间越短，也越明显。脱落之后，空泡又重新生长，之后保持较稳定的状态，没有周期的规律可循。若进一步降低弹体速度可能不会形成超空泡。3个算例的空化数均小于0.03，完全可以形成超空泡，且在形成过程中初始阶段都有空泡脱落现象。而在实际水下发射鱼雷，周围环境复杂，稍有一点扰动对弹体就有很大的影响，使水下航行体不断地加速减速。所以实际上空泡的脱落现象时刻存在。这一论题的研究也十分重要。

参考文献：

[1]陈兢.新概念武器——超空泡水下高速武器[J].飞航导弹,2004(10):34-37.

[2]王献孚.空化泡和超空化泡流动理论及应用[M].北京：国防工业出版，2009：1-195.

[3]赵卫.超空泡高速鱼雷技术综合分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005.

[4]杨洪澜.非定常超空泡绕流研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2007.

[5]褚学森,王志.自然空化流动数值模拟中参数取值影响的研究[J].船舶力学,2007,11(1):32-39.

[6]RodiW.ComparisonofLESandRANScalculationsoftheflowaroundbluffbodies[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1997,69-71:55-75.

[7]KolmogorovAN.ThelocalStructureofTurbulenceinIncompressibleViscousFluidforveryLargeReynoldsNumbers[J].Dokl.Akad.Nauk.SSSR,1941,30(4):299-303.

[8]ShinBR,IkohagiT.Anumericalstudyofunsteadycavitatingflows[C]//3rdInternationalSymposiumonCavitation.Grenoble,France,1998.

[9]熊永亮.水下高速航行体超空泡减阻特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[10]郭小飞，刘平安， 时文，等.水下超高速运动体人工通气流动过程研究[J].四川兵工学报，2014(6):6-8.

(责任编辑周江川)