跨超音速射弹的超空泡数值模拟

摘要

空化是液体流动的一个特殊现象：当压力低于饱和蒸气压时，液体会空化成水汽。超空泡射弹就是利用空化现象形成包裹弹体的空泡从而达到减阻效果的一种新型武器。超空泡水下航行体目前已成为国内外研究的热点问题之一。与常规水下航行体相比，跨超音速超空泡射弹有很多特殊之处。由于在水中的速度非常高，水的压缩性及热效应等因素需要考虑进来，目前通用计算流体软件并不支持此特性下的计算。因此，要成功模拟此复杂的物理现象，需要对流体软件进行二次开发，目前国内外很少有研究人员对此发表文章。 本文系统地回顾和总结了目前国内外空泡问题的研究进展，运用通用CFD软件FLUENT，基于单一介质可变密度混合模型，将可压水的状态方程、水中音速和饱和蒸气压定义等编译成程序，通过用户自定义功能嵌入进软件中，并分别用不同方法对跨超音速超空泡射弹进行了模拟和比较。本研究主要集中在如下几个方面：⑴对跨超音速下液相不可压两相流超空泡射弹进行了模拟，并对其空泡形态和尺寸特点进行了分析和总结。⑵通过嵌入自编程序对FLUENT软件实现二次开发，在液相不可压两相流基础上进行液相可压的修正计算和直接计算，分别得到近似的液相可压两相流射弹超空泡流场，并对本文计算中的一些经验进行了总结，将得到的结果与上章进行了对比和分析,说明了水的压缩性在跨超音速下射弹模拟的重要性。⑶对射弹在液相不可压和可压两种单相流数学模型流场进行了计算，并成功的将温度耦合进单相流计算中，计算结果与射弹试验中观察到的热现象吻合，说明了热在超空泡射弹跨超音速下的重要性。