弋 輝1, 張宇文1, 袁緒龍1, 王 瑞2

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頭支撐下空化器外形對通氣超空泡的影響

弋 輝, 張宇文, 袁緒龍, 王 瑞

(1. 西北工業(yè)大學航海學院, 陜西西安, 710072; 2. 西北機電工程研究所, 陜西咸陽, 712099)

目前, 空化器外形對超空泡形態(tài)的影響研究都是在空化器前的流場未被干擾時進行的, 當水洞試驗因采用頭部支撐方式而影響了空化器前的流場時, 通氣超空泡形態(tài)隨空化器外形的變化規(guī)律尚不明確。本文應用計算流體力學(CFD)仿真軟件FLUENT, 參照頭支撐下通氣超空泡生成的試驗模型, 建立了隨空化器直徑、連接桿直徑和空化器錐角變化的仿真模型。在通氣量一定的情況下, 通氣超空泡的長度和長徑比隨頭支撐連接桿的增大而增大, 隨空化器直徑的增大而減小, 隨空化器錐角的減小而增大, 并深入研究了空化器外形對空泡尺寸的影響規(guī)律, 為水洞超空泡試驗在頭支撐方式下空化器外形的設計提供參考。

水洞試驗; 頭支撐; 空化器; 通氣超空泡; 計算流體力學

0 引言

隨著超空泡航行體的日益發(fā)展和超空泡技術應用領域的擴寬, 在水洞進行著越來越多的超空泡試驗。水洞試驗模型的支撐方式有頭支撐、腹支撐和尾支撐, 為了避免空化器前的流場受到干擾, 超空泡試驗一般采用尾支撐方式。然而尾部連接桿的存在會產生導流作用, 干擾模型尾部流場, 所以在研究超空泡尾部形態(tài)和航行體尾部流體動力特性的試驗中, 模型選用頭部支撐方式。國內外學者已經(jīng)對空化器前無干擾時的超空泡形態(tài)、流場分布以及流體動力特性等方面進行了廣泛的研究, 然而沒有研究在頭支撐方式下, 即空化器前有干擾時的空化器外形對超空泡形態(tài)的影響規(guī)律。

對空化器前存在連接桿時的通氣超空泡形態(tài)進行理論計算存在較大難度, 這是因為模型加工和安裝以及水洞運行需要大量成本和時間, 應用試驗的方式來得到影響規(guī)律只能達到事倍功半的效果。本文應用CFD仿真軟件Fluent6.3建立仿真模型, 模擬空泡在頭支撐方式下的形態(tài), 通過對仿真結果的對比分析, 得到泡形隨空化器外形的變化規(guī)律, 為以后水洞超空泡試驗在頭支撐方式下空化器外形的設計提供參考。

1 通氣超空泡仿真模型的建立

1.1 通氣超空泡的生成

物體頭部具有擴張銳角的外形, 在擴張外形之后通入氣體, 可以形成包圍物體的氣腔。這種人工通氣超空泡生成方法可以生成穩(wěn)定、光滑的透明空泡表面, 易在較小來流速度下生成超空泡, 被廣泛用于試驗室超空泡研究。

空泡流的基本相似參數(shù)是空化數(shù), 即

式中:為來流壓力;p為空泡壓力;為液體的密度;為液體的來流速度。超空泡只有在小的空化數(shù)下(如≤0.1)才可能產生。

在試驗模型采用頭支撐方式時, 空化器前的連接桿不影響空化器迎流面壓力梯度的形成, 來流依然以一定速度由擴張銳角拋出, 當通入氣體時, 形成通氣超空泡?？栈鞯挠行Э栈娣e為除去連接桿后的迎流面積, 有效空化器直徑, 其中D為空化器直徑,D為連接桿直徑。因要從連接桿導出信號線和通氣管以及保證機械剛度, 連接桿直徑不能過小。

通氣超空泡研究的主要問題之一, 是確定維持給定空泡尺度所需的氣體供給量。通氣流量經(jīng)常表示為無因次流量系數(shù)

式中:為通氣量;為水流速度。由于水洞試驗條件的限制,和存在閥值, 可通過改變空化器外形來達到試驗所需的空泡尺度。在模型采用頭支撐方式時, 如何通過改變空化器直徑和錐度以及連接桿直徑來實現(xiàn)目標空泡形態(tài), 本文將對此進行數(shù)值模擬研究。

1.2 仿真模型和仿真方法

為研究在頭支撐下空化器外形對通氣超空泡形態(tài)的影響規(guī)律, 參照試驗室生成通氣超空泡的方法和模型建立數(shù)值仿真模型。仿真模型在通氣降低空化數(shù)生成通氣超空泡后, 通過改變空化器外形來改變空化數(shù), 而空化數(shù)是空泡流的基本相似參數(shù), 從而改變了空泡外形尺寸。

圖1為模型網(wǎng)格圖, 流場的左邊界為水流的速度入口, 右邊界為壓力出口, 寬1 000 mm, 上下邊界為壁面, 寬2 000 mm, 模型長度500 mm, 直徑40 mm, 通氣孔緊貼空化器背流面, 為氣體的質量流量入口。仿真計算設置為2D軸對稱模型, 采用非定常計算方法, 計算時間步長大小根據(jù)空化器附近最小網(wǎng)格長度和水速來確定, 12 m/s水速時約為3.5×10s。通氣量是考慮到水洞試驗中質量流量計的測量范圍, 通過換算給定的常值Q, 采用無滑移速度的混合物模型, 近壁面采用非平衡壁面方程, 湍流模型設為分散紊流(RNG)模型; 壓力速度耦合采用標準的simple算法, 空間離散選用默認的方法, 適當調小松弛因子。

圖1 MZ1仿真模型網(wǎng)格圖

2 空化器外形對通氣超空泡的影響

2.1 仿真條件

依據(jù)單因素變量原則將模型細分為以下5組, 名稱和參數(shù)如表1所示。

系列模型進行數(shù)值模擬時流場條件設置為水速12 m/s, 1個大氣壓, 通氣量。

表1 空化器外形參數(shù)表

2.2 變連接桿直徑的仿真結果

圖2為MZ2模型通氣超空泡仿真圖像, 表2為與之對應的數(shù)值結果?？梢钥闯? 減小連接桿直徑, 通氣超空泡長度變小, 直徑變化不明顯, 通氣空化數(shù)和阻力系數(shù)增大。因為當連接桿直徑變小, 有效空化器直徑變大, 通氣流量系數(shù)減小, 導致通氣空化數(shù)增大, 空泡變短。

圖2 MZ2系列模型仿真結果空泡密度圖

表2 MZ2系列模型仿真結果數(shù)值表

由圖3和表3關于60°圓錐空化器的仿真結果可以得出相同的結論。并注意到, 在相同有效空化器直徑下, 圓錐空化器比圓盤空化器生成的通氣超空泡長度較長, 最大空泡直徑較小。

圖3 MZ3系列模型仿真結果空泡密度圖

表3 MZ3系列模型仿真結果數(shù)值表

由此可以看出頭支撐的優(yōu)點, 它不僅不會影響通氣超空泡的生成, 而且可以獲得較大尺寸的通氣超空泡。

2.3 變空化器直徑仿真結果

圖4為MZ1模型通氣超空泡仿真圖像, 表4為與之對應的數(shù)值結果?？芍? 在頭支撐方式下, 減小圓盤空化器直徑可增加空泡長度, 減小最大空泡直徑, 明顯減小通氣空化數(shù)和阻力系數(shù)。因為當有效空化器直徑減小, 通氣流量系數(shù)增加, 通氣空化數(shù)減小, 空泡變長, 又由于起始空泡直徑變小, 最大空泡直徑仍以較小幅度變小。

圖4 MZ1系列模型仿真結果密度圖

表4 MZ1系列模型仿真結果數(shù)值表

由圖5和表5關于60°圓錐空化器的仿真結果可以得出相同的結論, 并注意到在空化器有效直徑相同時, 圓錐空化器比圓盤空化器生成的通氣超空泡長度較長, 最大空泡直徑較小。

圖5 MZ4系列模型仿真結果空泡密度圖

表5 MZ4系列模型仿真結果數(shù)值表

2.4 變錐度的仿真結果

圖6為MZ5模型通氣超空泡仿真圖像, 表6為與之對應的數(shù)值結果?？梢钥闯? 隨著空化器錐度的增大, 阻力系數(shù)增大, 通氣空化數(shù)增大, 空泡長度減小, 最大空泡直徑增大。圓盤空化器的錐度可看作是180°, 符合此組模型所得規(guī)律。

圖6 MZ5系列模型仿真結果空泡密度圖

表6 MZ5系列模型仿真結果數(shù)值表

2.5 變錐度的試驗結果

圖7(a)為水洞試驗射彈模型照片, 左邊為需要測量力學特性的射彈尾翼(尾翼圖形略去), 通過內置三分力天平與模型前部連接, 水流由右邊吹來, 通過50 mm直徑圓盤空化器生成通氣空泡, 采用翼型導流罩減小支撐桿對空化器周圍流場的影響。圖7(b)是直徑為50 mm的圓錐空化器試驗模型。

圖8(a)是50 mm圓盤空化器模型在水速為12 m/s、工作段壓力為0.8個大氣壓和200SLPM通氣流量下某時刻的空泡圖像。試驗中空泡波動較大, 沒能生成形態(tài)穩(wěn)定光滑透明的通氣超空泡。

圖8(b)是50 mm圓錐空化器在相同試驗條件下生成的通氣超空泡, 空泡穩(wěn)定且光滑透明。

圖7 水洞試驗模型照片

圖8 水洞試驗瞬時空泡圖像

由此可見, 連接桿并不影響通氣超空泡的生成, 空化器外形對通氣超空泡影響顯著。數(shù)值模擬通氣超空泡所得仿真圖像和試驗圖像吻合較好。

3 仿真結果與分析

3.1 空泡形態(tài)和通氣空化數(shù)的關系

空泡長徑比為空泡半長的2倍和最大空泡直徑的比。圖9給出了5組模型的空泡長徑比隨空化數(shù)的變化關系, 并給出自然超空泡理論長徑比變化曲線?？梢钥闯? 5組模型仿真計算所得長徑比隨空化數(shù)的增大有規(guī)律地減小, 變化趨勢與理論計算長徑比吻合很好, 具體數(shù)值偏小。

圖9 空泡長徑比隨通氣空化數(shù)的變化曲線

3.2 通氣空化數(shù)與空化器外形的關系

由圖10可以看出, 在其他條件相同的情況下, 通氣空化數(shù)和空化器阻力系數(shù)基本成線形關系。通過改變空化器的外形和來流對空化器的作用力, 可以有效改變通氣空化數(shù)。

圖10 空化器阻力系數(shù)和空化數(shù)的關系曲線

減小有效空化器直徑或空化器錐角, 都能有效減小空化器阻力系數(shù), 隨之減小通氣空化數(shù)。

圖11反映了通氣空化數(shù)隨空化器外形的變化規(guī)律, 當增大有效空化直徑, 通氣空化數(shù)增大。當減小空化器錐角, 通氣空化數(shù)隨之減小。

圖11 通氣空化數(shù)隨空化器外形的變化曲線

依據(jù)以上的分析, 在頭支撐方式下通過設計空化器外形, 可以得到需要的空泡尺寸, 完成對射彈尾翼不同高度穿刺的試驗。

4 結論

為了減小完成試驗任務的成本和周期, 通過數(shù)值模擬, 研究了在頭支撐下不同空化器外形對通氣超空泡的影響規(guī)律。對水洞超空泡試驗的模型設計具有參考價值, 以便在受限的試驗條件下得到需要的空泡尺寸。通過仿真得到如下規(guī)律:

1) 頭支撐連接桿對空化器前流場的干擾影響通氣超空泡的尺寸, 但不影響通氣超空泡的生成;

2) 空化器外形不影響通氣超空泡長徑比隨通氣空化數(shù)變化的規(guī)律, 但在其他條件相同的情況下, 影響通氣空化數(shù);

3) 只增大空化器直徑或只減小連接桿直徑, 有效空化器直徑增大, 圓盤和圓錐空化器的阻力系數(shù)增大, 通氣空化數(shù)增大, 空泡長度減小;

4) 只增大空化器錐度, 空化器的阻力系數(shù)增大, 通氣空化數(shù)增大, 空泡長度減小。

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(責任編輯: 陳 曦)

Influence of Cavitator Shape on Ventilated Supercavitation in Head Support Mode

YI Hui, ZHANG Yu-wen, YUAN Xu-long, WANG Rui

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

The research on the influence of cavitator shape on supercavitation is usually conducted in the condition where the front flow of cavitator is not disturbed. However, when the front flow of cavitator is influenced by using of head support mode in water tunnel test, the changing law of ventilated supercavitation with the shape of cavitator is not clear. In this study, a series of simulation models in accordance with the experimental ones are built by means of the computational fluid dynamics (CFD) simulation software FLUENT. These models depend on the diameter of cavitator, the diameter of the connecting rod, and the cone angle of the cavitator. Simulation indicates that under certain ventilation, the length and the length to diameter ratio of the ventilated supercavitation increase with the diameter of connecting rod increasing, decrease with the diameter of cavitator increasing, or increase with the cone angle of cavitator decreasing. Moreover, the influencing laws of the cavitator shape on ventilated supercavitation are also investigated. This study may facilitate the design of cavitator shape for the water tunnel test of supercavitation in head support mode.

water tunnel test; head support mode; cavitator; ventilated supercavitation;computational fluid dynamics(CFD)

TJ630.1

A

1673-1948(2011)06-0406-05

2011-05-18;

2011-06-01.

弋 輝(1987-), 男, 在讀碩士, 主要研究水中兵器流體力學、彈道控制與仿真.