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高速航行体可压缩超空泡流动数值计算

李达钦  
【摘要】:高速超空泡射弹是一种利用超空泡减阻技术的新型水下兵器。与常规航行体水下航行问题不同,超空泡射弹由于航行速度非常高,可达跨音速甚至超音速。运动过程中涉及复杂的可压缩超空泡流动问题,包括汽液可压缩性、非定常流动、多相流动、相变及湍流等方面流体力学难题。有必要研究可压缩超空泡流动的数值计算方法,并将其应用于亚音速、跨音速和超音速等状态下的绕轴对称航行体的可压缩超空泡流体动力特性问题的分析。全文主要内容及成果如下:(1)建立了基于势流和细长体理论的可压缩势流方程。获得了不同马赫数下的超空泡的形态。无论在亚音速区域还是超音速区域,随着航行体速度的增加,超空泡的泡长和泡径都逐渐增大,但亚音速区域的增长梯度大于超音速区域,说明超音速时超空泡形态随航速变化的幅度较小。流体压缩性导致超空泡形态前后有略微的不对称,随着马赫数增大,空泡最大半径前移,前后不对称性加剧。(2)建立了基于N-S方程的高速航行体可压缩超空泡流动特性的数值计算方法。讨论了多相流模型、湍流模型和空化模型的适用性,结合商业CFD软件的二次开发,将可压缩流体的Tait状态方程和水中有效声速通过UDF编译嵌入到了软件中,实现了液体可压缩性的模拟,计算结果与实验结果吻合较好。同时,以计算时不考虑液相可压缩性的结果作为对比,讨论了计算时耦合可压缩性修正的必要性。(3)讨论了不同航行速度工况下,高速航行体可压缩超空泡流动特性。基于建立的数值计算方法,以高速射弹为研究模型,得到随着航行速度增加,流体可压缩趋势显著,压力与密度的梯度和最大值都增大。尤其在超音速时,压力和密度分布逐渐呈现出激波的特征;在空泡形态方面,随着航行速度增加,超空泡逐渐贴近弹身;在动力特性方面,随着时间推移,超空泡逐渐发展至包裹弹身,射弹所受主要阻力从粘性阻力变为压差阻力,各项阻力也从最大逐渐减小到最小值,并维持稳定;射弹迎流面阻力系数随速度增大而增大,不考虑液相可压缩性时的射弹阻力要小于考虑液相可压缩的结果,会导致对阻力的过低预测。(4)推导了适用于低超音速条件下激波前后水流参数的基本关系式。对于任意一道激波,一定的激波强度即压强比就对应着一定的密度比,而且这种关系与激波角无关,该关系式适用于各种激波。对比结果显示,激波前后水流参数的数值模拟结果与基本关系式拟合较好,证明建立的数值模拟方法针对高速可压缩超空泡流的计算有一定准确性,可以用来预测流场信息。


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