高速航行體通氣空泡流動(dòng)研究.pdf

1、潛射導(dǎo)彈具有隱蔽性和機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，是極其重要的水下武器裝備。潛射導(dǎo)彈水下垂直發(fā)射過(guò)程中，隨著環(huán)境壓力的變化和導(dǎo)彈的加速運(yùn)動(dòng)，不可避免的會(huì)產(chǎn)生自然空泡。自然空泡對(duì)導(dǎo)彈的流動(dòng)載荷、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲等產(chǎn)生不良影響。
　　采用通氣空泡技術(shù)獲得穩(wěn)定空泡來(lái)消除自然空泡的不良影響，是導(dǎo)彈水下發(fā)射的一項(xiàng)新技術(shù)。國(guó)內(nèi)將通氣空泡技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈水下發(fā)射的研究剛剛起步，雖然對(duì)于潛射導(dǎo)彈的空化現(xiàn)象已經(jīng)有了一定的研究，但對(duì)于彈體通氣空泡流動(dòng)的溫度效應(yīng)與尺度效應(yīng)

2、認(rèn)識(shí)不足。本文就此開(kāi)展了理論分析與數(shù)值模擬研究，對(duì)潛射導(dǎo)彈垂直發(fā)射上升過(guò)程重力場(chǎng)中的通氣空泡流動(dòng)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　主要研究?jī)?nèi)容與成果如下：
　　1．針對(duì)潛射導(dǎo)彈水下垂直運(yùn)動(dòng)這一復(fù)雜的物理過(guò)程，將其簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問(wèn)題，以 CFD軟件 FLUENT12及其二次開(kāi)發(fā)為平臺(tái)，基于Reynolds平均Navier-Stokes方程和Mixture多相流模型，耦合自然空化模型，建立了氣、汽、液多相流的空泡流數(shù)學(xué)模型。
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3、．由于導(dǎo)彈在垂直發(fā)射過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致計(jì)算域的不斷變化，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。研究了網(wǎng)格依賴性，以及差分格式、空泡模型與湍流模式的影響，并進(jìn)行分析對(duì)比。
　　3．導(dǎo)彈垂直發(fā)射上升過(guò)程中（包括補(bǔ)氣階段）通氣空泡的演化過(guò)程大致分成三個(gè)階段。初始階段僅有少量的氣體覆蓋于通氣孔后的一小段區(qū)域，壓力的極大值位于彈體前駐點(diǎn)處，初始空泡對(duì)流場(chǎng)的影響較小，彈體外圍呈現(xiàn)明顯的靜水壓強(qiáng)分布；第二階段，空泡增長(zhǎng)較快，長(zhǎng)度增長(zhǎng)到接近1/4L。由于彈體一直做勻加速

4、運(yùn)動(dòng)，其頭部的壓力梯度和尾部的低壓區(qū)梯度逐漸增大，但由于此時(shí)尾端的環(huán)境水壓較高，沒(méi)有觀察到明顯的自然空化現(xiàn)象；補(bǔ)氣運(yùn)動(dòng)階段的通氣質(zhì)量流量接近原來(lái)的兩倍，長(zhǎng)度接近1/2 L，在高速航行體尾部可以觀察到明顯的汽水混合物云團(tuán)。
　　4．在通氣空泡形成過(guò)程中，彈體表面的壓力系數(shù)隨著環(huán)境壓力的降低不斷減小，在空化區(qū)壓力系數(shù)基本恒定，在空泡閉合區(qū)域后彈體柱段表面壓力系數(shù)不斷增加。通氣空泡的形成改變了彈體表面的壓力分布，在空泡前沿和閉合區(qū)均存在

5、較大的壓力梯度。壓力恢復(fù)的峰值開(kāi)始由于逆壓梯度的增加逐漸增大，而后受環(huán)境壓力減小的影響而降低。
　　5．在滿足模型幾何相似、Fr數(shù)相等、空化數(shù)相等的相似條件的情況下，模型縮尺減小，空泡的長(zhǎng)度隨之有一定程度的減小。同時(shí)摩擦阻力系數(shù)隨比尺的減小而增大，壓差阻力系數(shù)變化不大。對(duì)5組縮比算例積分通氣質(zhì)量，表明模擬結(jié)果比理論值偏小。
　　6．在高溫工況下，空化區(qū)尾部汽水混合區(qū)厚度明顯增大。300K時(shí)，氣體在通氣孔喉嘴處溫度達(dá)到最低值；