发射速度对航行体出水姿态影响数值仿真研究

刘可赵欣李智生

（1.91550部队大连116023）（2.大连大学信息工程学院大连116622）

发射速度对航行体出水姿态影响数值仿真研究

刘可1赵欣2李智生1

（1.91550部队大连116023）（2.大连大学信息工程学院大连116622）

水下航行体的出水过程是一个穿越不同介质面，运动速度等参数剧烈变化的非定常、非线性气液两相运动的过程。在此过程中由于发射速度的改变，将引起航行体流体动力及运动载荷的变化，从而影响水下航行体的出水姿态和空中飞行运动的稳定性。为了研究发射速度对航行体出水姿态的影响，基于CFD数值方法，在考虑自然空化条件下，对航行体水下及出水运动进行数值仿真，得到航行体出水姿态数据，在此基础上，对相同发射深度下，不同发射速度航行体出水运动过程进行数值仿真，得出发射速度变化对航行体出水姿态影响，其研究结论为水下航行体出筒速度选择提供了理论参考。

发射速度；数值仿真；出水姿态；动网格

Class NumberTP391

1 引言

气体弹射方式垂直发射的水下航行体，一般可以将其水下发射过程分为三个阶段：出筒段、水下段和出水段，其中以水下段和出水段最为重要，决定着水下航行体发射的成败。作为重要发射条件之一的发射速度是指航行体尾部离开发射筒瞬间时，航行体的速度值。发射速度的改变，会引起水下航行体运动力学环境的变化。空泡的初生、发展及溃灭都会给航行体带来一定的水动力载荷冲击，引起航行体水下运动轨迹和出水姿态的改变，甚至会导致航行体水下发射失败。因此，研究发射速度对航行体出水姿态的影响有着非常重要的意义［1～3］。本文运用CFD数值方法，在考虑自然空化条件下，对不同深度航行体出水运动过程进行数值仿真，研究发射速度变化对航行体出水姿态的影响。

2 CFD数值模型构建

2.1 多相流模型

考虑自然空化作用的水下航行体出水运动过程涉及汽、气、液三相的混合流动，是一个多相流问题。在描述多相流的模型中，目前常用的有VOF和Misture两种多相流模型［4～5］。

2.1.1 Misture多相流模型

Misture模型是一种简化的多相流模型，引入滑移速度的概念，允许多相之间存在不同的运动速度，并假定各相之间相互渗透、相互惨混。该模型基于同性的RANS方程，将气、汽、液多相组成的混合介质处理为一种相互贯通的变密度单流体，各相共享同一压力场和速度场，引入相体积分数的概念得到描述多相流动的控制方程［6～8］。

混合物的连续性方程为

其中：vm是质量平均速度，ρm是混合密度，是第k相的体积分数，满足条件

Misture模型的动量方程可以通过对各相动量方程求和得到，其表达式为

这里n是相数，F是体积力，μm是混合粘性；

vdr，k是第二相k的飘移速度：

2.1.2 VOF多相流模型

与Misture多相流模型不同，VOF多相流模型假定各相之间互不渗透，且存在清晰的交界面，是处理复杂自由表面的一种行之有效的方法。该模型虽然涉及多相流理论，然而并没有采用复杂的多相流模型，与Misture模型类似，只是引入简单的单流体模型，假定在同一控制体单元中，各相具有相同的压力场和速度场，同时引入相体积分数的概念得到控制方程［9～10］

上式为连续性方程。整个计算域求解单独的动量方程，各相共享求得的速度场。则动量方程通过物性参数ρ和μ由各相的体积分数决定。

近似共享同一个速度场的局限性在于：当各相之间存在较大的速度差时，交界面附近计算得到的速度的精度受到影响。

各相共享的能量方程为

为了保证多相流模型的使用能够精确捕捉气、水界面的复杂变化情况，保证计算过程的稳定性，针对水下发射过程不同阶段的特点使用不同的多相流模型。在导弹的出筒段和水中运动段，主动通气喷出并在导弹表面形成气泡，气、水界面剧烈变化但各相之间存在明显的交界面，而VOF多相流模型在处理类似流动问题方面相当出色［11～12］，因此，在出筒段及水中段的计算过程中采用VOF多相流模型；在出水阶段，存在空泡溃灭、水面突起和拉断等现象，各相之间强烈掺混、交界面不清晰，Mixture多相流模型在处理此类离散多相流问题时具有优异的性能，因此，在导弹出水阶段采用Mixture多相流模型，这种多相流模型选择策略在计算过程中也得到了验证。为了进一步增强计算过程的稳定性，将空气设置为主相，水设置为次相。

2.2 网格划分

根据实际航行体的尺寸，采用AUTOCAD等建模软件建立本文数值计算的航行体几何模型，并导入Fluent软件包中前处理软件Gambit进行计算域划分及网格生成。网格总体划分情况如下图1所示，弹体近体网格划分如图2所示。

2.3 边界条件设置

航行体出水运动数值仿真的边界条件设置为：弹体表面设定为固体壁面条件（wall），计算域底部设定为固体壁面条件（wall），计算域两侧设置为对称面条件（symmetry），计算域前部设置为速度入口（velocity-inlet），上部为压力出口（pressure-outlet），出口压力为大气压。湍流模型选用标准k-ε模型，压力速度耦合方式采用SIMPLEC格式。其中水气交界采用VOF模型设置水体的区域，具体水面高度视所模拟的发射水深不同而做相应的改变。本文后续所做的模拟如不做特殊说明，网格的划分和边界条件的设定均采用与此相同的方案。

2.4 动网格控制

本文对航行体出水运动数值仿真中动网格的更新方法采用的是弹簧近似光滑方法［7］。该方法将整个流体计算区域分为两大部分：一是不动网格区域（stationary zone），另一个是动网格区域（moving zone）。动网格设置的示意图如图3所示。

动网格采用Fluent自定义函数UDF驱动，UDF文件包括主要内容为：弹体运动控制、并行计算控制。为了更加真实地体现导弹的运动规律，建立导弹运动的动力学方程来控制弹体运动。

3 航行体在不同发射速度出水运动过程数值仿真

3.1 数值计算方案

为了更好地研究发射速度变化对弹体出水姿态的影响，计划在相同发射深度下计算三种发射速度弹体出水运动过程，进而系统研究发射速度变化对弹体出水姿态的影响。根据课题要求，拟定了数值仿真计算方案如表1所示。

表1 数值计算工况

3.2 数值仿真结果

3.2.1 航行体出水云图

图4～图8分别给出了航行体出水过程中压力云图及密度云图。

图5 尾出筒时刻压力云图

从密度云图和压力云图中，可以得出空泡形态随着航行体发射速度的改变而变化的规律。

1）在自然空化情况下，随着航行体发射速度的增加，自然空泡数明显增大，根据空化数的计算公式可知空化数与速度的平方成线性反比关系，即出筒速度越大空化数小，航行体肩部空泡长度越长。

2）发射深度不变情况下，发射速度越大，航行体肩部空泡形成越早，航行体头部触水时肩部空泡长度越长，航行体出水姿态越小。

3.2.2 发射深度变化对航行体出水姿态影响

图9～图10分别给出了航行体在不同发射速度出水过程中运动参数变化曲线。

从图中可以看出，对航行体的俯仰角位移及纵向位移进行了无因次化处理，Amax和Smax分别代表航行体最大俯仰角位移和最大纵向位移。在低速（25m/s）和中速（30m/s）出筒状态下，航行体俯仰角位移随着航行体接近水面而增大，而在高速（35m/s）出筒状态下，航行体俯仰角位移呈现先增大后减小的现象，使得航行体以较小的姿态完成出水，这是由于在高速出筒状态下，航行体肩部空泡发展充分，肩空泡迎、背流面空泡长度存在差异，进而在航行体接近水面空泡溃灭时存在回射压力差，根据回射压差作用位置与航行体重心位置的关系，对航行体出水姿态进行修正。综合上述分析可知，在本文速度范围内，航行体出筒速度越大，其出水姿态越小。

4 结语

本文以不同发射速度条件下，航行体出水运动姿态为研究对象，运用CFD数值方法在考虑自然空化的静水条件下，对不同发射速度的航行体出水姿态进行了数值仿真，分析了发射速度变化对航行体周围空化流场的影响，归纳了发射速度变化对航行体出水姿态变化的影响。具体研究成果和结论如下：

1）对计算流体力学相关理论进行了系统研究，依托Fluent软件平台建立了航行体出水运动数值仿真模型。

2）对空化理论进行了深入研究，采用CFD数值方法对航行体水下运动过程中产生自然空化现象进行合理的仿真。

3）在自然空化情况下，随着航行体发射速度的增加，自然空泡数明显增大，根据空化数的计算公式可知空化数与速度的平方成线性反比关系，即出筒速度越大空化数小，航行体肩部空泡长度越长。

4）发射深度不变情况下，发射速度越大，航行体肩部空泡形成越早，航行体头部触水时肩部空泡长度越长，航行体出水姿态越小。

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Research on Gesture of Underwater Vehicle Exiting from Different Velocity by Numerical Simulation Method

LIU Ke1ZHAO Xin2LI Zhisheng1
（1.No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）（2.Information Engineering College，Dalian University，Dalian116622）

The underwater vehicle exiting from wave is an unsteady and non-linear moving process.It contains passing through the different material face and the motion parameters dramatic changed.The fluid dynamics and exercise loading dramatic changed can impact the gesture of underwater vehicle exiting from wave and moving in the air，as a result of the launched in vary velocity.Direct at these problem，this paper based on the cavitation model makes use of dynamic mesh technique to simulate the gesture of underwater vehicle exiting from wave，gets the influence by the changed of the launched velocity particularly，The research conclusion can make reference to the parameter design for the trajectory of underwater vehicle.

launched velocity，numerical simulation，gesture of underwater vehicle exiting from wave，dynamic mesh

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.016

2017年1月12日，

2017年2月20日

刘可，男，硕士，工程师，研究方向：水下测量及水动力。赵欣，女，博士，副教授，研究方向：计算机应用技术。