水下航行体空泡流数值模拟研究

摘要

由于高速运动导致航行体表面的液体压力低于饱和蒸汽压而汽化，或者通过通气装置人为注入不可凝结气体而形成的覆盖整个航行体表面含汽或气的低密度空穴，称为空泡。当空泡长度与航行体长度相当或超过航行体长度时，就形成了超空泡。超空泡航行体由于其表面绝大部分被蒸汽或气体所包围，只有头、尾部的部分表面与有水接触，粘性阻力大幅下降，航行体的总阻力系数与全湿流状态相比降低了近1个数量级。
　　 近几年来，研究人员应用超空泡技术在水中兵器高速减阻的科研领域取得了突破性进展，而超空泡武器研制过程中一系列流体力学相关技术的解决，都必须依赖于对空泡复杂流动现象和机理的认识与把握。本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对水下航行体的空泡流结构及水力特性进行了详细研究，具体工作如下：
　　 基于Mixture多相流模型，利用Singhal全空化模型对六种不同头型回转体的稳态空泡绕流进行了数值计算和研究，其中表面压力系数的模拟结果与相关的试验数据吻合较好。对各种头体的空化性能进行了比较分析，计算了不同自然空化数下的平头回转体稳态空泡流，考察了空泡主体尺寸随空化数的变化规律；利用FLUENT的动网格技术，研究了不同质量平头弹体的瞬态空化流，计算发现，弹体运动过程中形成的瞬态空泡尺寸随自然空化数的变化规律与SCAV软件一致，初速度一定的情况下，质量较大的弹体在同一射程处所对应的空泡主体尺寸整体偏大。
　　 利用动网格技术，对传统变阻力空化器的非定常自然空泡流进行了数值计算，分析了不同中心锥角空化器的空泡外形控制能力以及阻力系数与空泡尺寸随工作行程的变化规律，考察了中心元件运动速度的影响。研究结果表明，通过中心元件的运动，变阻力空化器可以在不改变空化器直径的前提下对超空泡尺寸和阻力系数进行有效的调整和控制，其调整幅度随中心元件锥角的减小而增大，且空泡尺寸相对工作行程的瞬态响应要滞后于阻力系数。
　　 基于传统变阻力空化器的理论，提出了一种新型的航行体升阻力及侧向力的控制方案，该可变侧向力空化器的方案己申报国家发明专利并获得授权。利用FLUENT软件对空化器在不同控制状态下的三维稳态空泡绕流现象进行了数值研究，考察了控制元件的纵向位移对空泡外形及水力特性的影响。结果显示，在自然空化数相同的情况下，可变侧向力空化器得到的空泡尺寸和阻力系数值均随纵向(侧向)位移值的增加而变大。当控制元件的任意两侧位移不一致时，在空化器上会产生相当阻力30％的俯仰力或偏航力，空泡轴线会发生偏移。通过对不同攻角下可变侧向力空化器的空泡流计算发现，随着来流攻角的增大，空化器的升阻力系数值均有一定程度的下降，同时空泡后半部分的轴线偏移量也有所减小，空泡长度则整体呈上升趋势。
　　 利用UDF功能导入水、水蒸汽之间的质量和能量传递模型，模拟了包含气、汽、水多相的高温非定常通气空泡流，结果证实该模型能够合理预测流场内的温度变化和蒸汽相生成，研究了空泡的外形尺寸和水力参数随时间的变化规律，考察了通气参数、模型外形参数以及来流参数对高温通气空泡的形态、流场结构以及减阻特性的影响。计算结果表明，高温通气空泡的尺寸相比于常温空泡要更大，在更高的通气温度下，空泡界面出现波动，同时空泡内部有少量水蒸汽生成；通气孔附近的气体密度变化趋势与温度截然相反。
　　 本文通过大量的数值模拟和理论分析，深入了解和掌握了自然空泡与多相通气空泡的复杂流动机理，为水中超空泡兵器的进一步研究提供技术手段和方法。