小攻角下的水中引信前置渦輪轉動特性和空化研究

陳勇,張合,馬少杰,沈德璋

(1.南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室,江蘇南京 210094; 2.中國工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽 621900）

小攻角下的水中引信前置渦輪轉動特性和空化研究

陳勇1,張合1,馬少杰1,沈德璋2

(1.南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室,江蘇南京 210094; 2.中國工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽 621900）

為了獲得小攻角下水中引信前置渦輪的轉動特性,理論分析了小攻角下渦輪的轉動情況,并建立了仿真模型和試驗方案。以此為基礎,針對0°攻角和5°攻角,獲取了0～35 m/s來流速度下的渦輪轉速。在10 m/s來流速度下,針對無空化以及空化數為0.2～1.0的情況,利用仿真和試驗結果對比分析了0°攻角和5°攻角下相應的渦輪轉動和空化特性。研究結果表明,仿真結果與試驗結果基本一致,較好地預測了渦輪的特性。與0°攻角情況下相比,在較低來流速度(小于20 m/s)下,5°攻角情況下的渦輪轉速偏大,高速下反之;在發(fā)生空化時,5°攻角情況下的渦輪失去了原有轉速信號的周期性變化,并在更低的空化數下停轉。

兵器科學與技術;引信渦輪;水洞試驗;流場仿真;小攻角;空化

0 引言

水下火箭彈是一種在水下發(fā)射,攻擊水下目標的新型常規(guī)武器。其引信設計的關鍵在于水下環(huán)境敏感探測。在引信頭部安裝渦輪,通過測量渦輪轉速可間接獲得彈體的自身速度[1]。彈體飛行過程中,彈軸與飛行方向常會產生一定的攻角。研究在小攻角下的渦輪轉動特性和空化情況,可以分析并提高利用渦輪進行彈體速度或位移測量的精度。

利用渦輪作為測量方案,常見于渦輪流量計[2]?？罩谐Ｒ?guī)武器也有利用渦輪進行測量甚至發(fā)電[3]。大多數針對渦輪流動特性的研究基本針對于無攻角和無空化情況下,周圍流場較為簡單。針對渦輪空化情況的復雜流場,Chen等[4]針對渦輪流量計的空化特性進行了仿真計算,得到了儀表系數與空化數的關系;Kumar等[5]針對目前渦輪動力裝置進行了系統(tǒng)的研究,重點分析了空化對動力系統(tǒng)的影響。對于水中彈體有攻角的空化流場,陳瑛等[6]進行了數值仿真和試驗研究,得到了圓頭彈體頭部超空化下的流場特性;黃海龍等[7]對圓盤空化器在不同攻角下的空泡形態(tài)進行了仿真研究,得到了不同攻角下的超空化特點。

水中引信渦輪作為測量水下火箭彈自身速度的一種方式,主要關心其在不同情況下的轉動特性。本文利用理論分析和數值仿真方法對攻角情況下的渦輪轉動情況和空化特性進行了研究,并將部分結果與試驗結果進行了對比驗證,從而為提高水中彈藥引信渦輪環(huán)境敏感機構的測量精度提供依據。

1 數值仿真方法

1.1 水中引信渦輪概述

如圖1所示,渦輪安裝在彈體頭部。渦輪葉片下端和后端處于頭部分離區(qū),該位置在高速時將發(fā)生空化。從圖中可以看出該火箭彈及其頭部渦輪的外形。其尺寸參數如表1所示,其中N為葉片數,γt為葉頂傾角,Ld為導程。渦輪參數的選擇基于彈體本身的外形和尺寸,對彈道影響較小。

圖1 渦輪參數示意圖Fig.1 The turbine parameters

表1 參數及取值Tab.1 Parameters and values

水下火箭彈在水下高速運動時,其前置渦輪與彈體通過軸承連接,受到水流的驅動而旋轉。渦輪上鑲有小型磁體,通過霍爾器件探測渦輪轉動過程中的磁場變化來獲得渦輪轉速。渦輪轉速與相對水流速度相關,對以較高速度運動的彈體而言,由于運動速度遠大于水的自然流動,根據渦輪轉速即可獲得運動體的速度。渦輪在運轉時存在驅動力矩、粘性阻力矩、摩擦阻力矩等,使得渦輪的運動關系復雜。

彈丸飛行過程中,彈軸與飛行方向常會產生一定的偏差角度,此時流體相對渦輪并非垂直入射,而是存在一定的攻角。該攻角的存在會導致彈速與渦輪轉速的對應關系發(fā)生一定的變化。有攻角情況下,流體入射方向的改變對各種力矩都會產生一定的影響。本文中的小攻角指彈丸攻角須小于渦輪葉片的安裝角,以5°為例進行研究。

1.2 計算區(qū)域和網格化分

采用三維數值仿真方法來模擬渦輪旋轉。通過求流場的穩(wěn)態(tài)解來觀察不同空化數下渦輪的空化特性。由于本文涉及的是外部繞流問題,為保證計算結果精度,將渦輪直徑Dt作為特征尺寸,取整個計算流場長度L=30Dt,直徑Df=20Dt.整個流場主要可分為如圖2中4個區(qū)域,a、d為渦輪前后區(qū),b、c為渦輪區(qū),其中b為旋轉區(qū)域。以整個區(qū)域的中心點作為坐標原點。

圖2所示為有渦輪5°攻角的情況,為了進行對比,另外設置了無渦輪0°攻角、無渦輪5°攻角、有渦輪0°攻角3組計算區(qū)域。3組對比區(qū)域均將坐標原點設置在引信頭部中心。

圖2 全流場計算區(qū)域Fig.2 Flow field computational domain

采用結構網格以保證較高的網格質量。網格劃分使用ICEM的O型網格劃分方法,以渦輪輪轂為中心,向外進行兩級O型網格劃分。本文對幾何模型全部按結構性六面體網格劃分,以保證計算精度。為控制計算量,在保證網格質量的同時須控制網格總數。經大量調整,對渦輪區(qū)域部分和邊界層網格加密,完成網格劃分。完成后的渦輪表面網格如圖3所示。

圖3 渦輪表面邊界網格劃分Fig.3 The turbine surface boundary meshing

1.3 模型選擇和求解

兩相流動的模擬采用Mixture多相流模型,空化采用Schnerr and Sauer模型。湍流模型采用Realizable K-ε模型,近壁處理采用標準壁面函數。壓力-速度耦合方程求解算法采用半隱式連接壓力方程方法。單元中心的變量梯度基于單元體的最小二乘法插值。壓力插值算法采用PRESTO!格式,該格式主要用于高旋流、壓力急劇變化流或劇烈彎曲的區(qū)域。對流項的插值采用QUICK格式。此格式適用于四邊形/六面體以及混合網格,對旋轉流動有用,在均勻網格上能達到3階精度。模型的求解在FLUENT求解器中進行。

渦輪轉速邊界由以下方法確定:1)根據經驗設置轉速初值ω0,進行三維數值仿真;2)根據仿真結果計算驅動力矩及各阻力矩之和,并確定下一次計算的轉速值ω1;3)重復上述步驟1和2,直至上式達到平衡,渦輪葉片力矩之和小于ε,此處取ε=10-5.

2 水洞試驗方案

試驗在一閉式空化水洞進行。將原理樣機通過支桿安裝在水洞中,如圖4所示。該水洞試驗段截面0.6 m×0.6 m,試驗段長度為2.5 m.最大水流速度為12 m/s,空化數最低可達0.2,試驗段湍流度1.4%和相對含氣量在0.39～0.41范圍。洞體全部采用不銹鋼材料配有減壓箱和除氣裝置,具有良好的可控性。試驗段安裝有8塊可拆卸的有機玻璃觀察窗。樣機中,渦輪尾部輪轂鑲嵌有小磁體,由霍爾器件感應得到的轉速脈沖信號線從尾部支桿中穿出。

圖4 水洞試驗裝置原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of water tunnel experimental device

試驗受設備與測試手段限制,目前國內高速空化水洞的實際工作流速范圍一般在12 m/s范圍以內。為了研究高速下的渦輪空化情況,利用減壓產生空化,利用空化數相似,模擬高速下產生空化的情況。

一般空化數定義為

式中:p∞和v∞為流場中選定點的絕對壓力和流速; pv為一定溫度下的液體飽和蒸汽壓;ρ為液體密度。

該水洞試驗方案的基本原理為:將試驗樣機裝

于水洞試驗段,通過尾支撐桿的中心孔將導線引出。試驗時,啟動循環(huán)水洞的電機驅動水流在水洞中運動,通過水洞的相關儀器監(jiān)測試驗段入口壓力及水流速度,同時通過外部輔助設備實時讀取并記錄相應的數據。光源透過上下玻璃窗照亮位于工作段的渦輪裝置,攝錄設備記錄渦輪周圍空化形態(tài)。

3 轉動特性和空化分析

3.1 理論分析

在有攻角情況下,由于單一葉片在一周的不同位置時,其入射流體的絕對入射角、速度分布及邊界層厚度均不同,故所受的驅動力矩、粘性阻力矩等也有所差別,使得渦輪在有攻角下的轉動特性非常復雜。下面簡單分析單一葉片在一周內相關量的變化。

圖5為未安裝渦輪情況下,距離頭部0.01 mm處垂直于彈體軸線方向截面內軸向速度云圖和流線。從圖中可以看出:無攻角情況下邊界層厚度和周圍流向均勻,而有攻角情況下沿彈體一周的邊界層厚度和周圍流場是非均勻的。

設攻角為α,流體相對靜止葉片的入射角在一周內均不同,該入射角相對渦輪葉片的變化,在計算中采用當量安裝角βθ來近似表示。葉片一周范圍內,在與零點位置(取迎流面底端最低點)夾角為θ時,

邊界層之外,平行輪轂的速度為一周內的當量安裝角βθ,輪轂范圍內邊界層平均厚度

δ和邊界層外平行輪轂表面的速度vzθ變化及對應關系如圖6所示。

根據文獻[8]中關于驅動力矩的分析,可以得到葉片一周范圍內,在與零點位置夾角為θ時,其驅動力矩的計算公式為式中:CLθ和CDθ分別為相應位置下葉片的升力、阻力系數[9]。

此時葉片的總驅動力矩為

圖5 引信頭部周圍邊界層和流線分布Fig.5 The boundary layer and the streamline distribution around fuze head

圖6 一周內相關量變化及對應關系Fig.6 The change of related quantities and the corresponding relationship between them in a cycle period

根據該式可得到小攻角情況下葉片驅動力矩的近似解,其余渦輪所受力矩可參考文獻[8].其中渦輪啟動需要克服靜摩擦力,即存在啟動速度。通過渦輪轉動理論與仿真結果結合,可以得到小攻角情況下一定速度對應的渦輪轉速。

3.2 空化特性

圖7(a)和圖7(b)為利用高速快門(約0.1 ms)拍攝到的在相同來流速度和不同空化數下的渦輪空化形態(tài),圖7(a)為0°攻角情況,圖7(b)為5°攻角情況。對比圖7(a)和圖7(b)發(fā)現,在相同來流速度和空化數下,5°攻角情況的渦輪空化整體上更為嚴重。從圖7(b)中可以看出,5°攻角情況下,在每個轉動周期內,每個葉片和葉片通道從下端弱分離區(qū)到上端強分離區(qū),其附著和附近空化區(qū)經歷了生長-斷裂-脫落-再生長的復雜過程。

在相同速度和空化數下,以氣相比例為50%的分界面作為空泡界面,對5°攻角情況進行仿真,得到圖7(c)的仿真結果。對比圖7(b)和圖7(c)發(fā)現,利用該仿真方法得到的空化仿真結果能反映出前端的固定空化區(qū)域,但無法反映后端的云狀空化區(qū)和空化區(qū)尾部的非定常脫落現象。這是由于采用RANS(雷諾平均法)湍流模型導致的[10]。除了湍流模型和空化模型外,對空化形態(tài)更為細致的仿真需要更為精細的網格和算法以及強大的計算機處理能力。

圖7 頭部空化流的試驗和仿真結果對比Fig.7 Comparison of experimental and simulation results of head cavitation flow

表2 1 m水深壓力在不同流速下的渦輪轉速Tab.2 Turbine rotational speeds at different flow velocities in 1 m depth

3.3 轉動特性

按照上文提到的數值模擬方法計算了1 m水深條件,彈丸攻角為0°、5°情況下,不同來流速度下對應的渦輪轉速,相關數據如表2所示。相關試驗結果也列入表中,為了方便對比,試驗通過加壓保證1 m水深處的壓力值。通過更多不同壓力下的仿真結果比較,在壓力大于某一臨界空化數下的壓力(空化數約大于1.5),仿真結果變化很小(從理論推導的驅動力矩、粘性阻力矩關系式上也能看出,其與壓力沒有直接關系,而其余力矩如摩擦阻力矩的影響有限)。試驗發(fā)現,5°攻角下渦輪的啟動速度相比0°攻角下的5 m/s略低,為4.6 m/s.造成這一現象的其中一方面原因是由于5°攻角下渦輪頭部正壓力較低造成的,而正壓力與克服靜摩擦需要的驅動力矩大小有關。另一方面,在該速度范圍下,5°攻角下的渦輪所有葉片所受的合驅動力矩較0°攻角下大。

從表2中可以看出,在10 m/s速度以下,仿真和試驗結果接近,誤差在10%以內。一定的水流速度情況下,渦輪轉速受彈丸攻角的影響比較明顯。由仿真結果可以看出,在較低水流速度(約20 m/s)下,有攻角情況下較無攻角情況轉速偏大;而在較高水流速度下,轉速偏小。

按照上文提到的試驗方案對10 m/s水流速度下,空化數為0.2～1.5范圍進行了試驗和數據采集。為了對比,在相同的速度和空化數下進行了仿真,通過調整仿真模型中的出口壓力來保證空化數相等。結果如圖8所示。從圖8可以看出,仿真結果和試驗結果基本吻合。轉速和空化數的關系在0°攻角和5°攻角下有著相同的變化趨勢:隨著空化數的降低,到一臨界空化數(約為0.9),轉速是升高的;隨著空化數的繼續(xù)降低,更嚴重的空化開始使得渦輪轉速下降,直到停轉。試驗發(fā)現:0°攻角時空化數為0.33時渦輪停轉;5°攻角時空化數為0.25時渦輪停轉。這是由于在嚴重空化時,有攻角情況下的迎流面位置的部分葉片空化相對較弱,還能受到水流沖擊的影響。而此時0°情況下的所有葉片都已經完全受到空化的影響而停轉。同時從圖8中可以看出,在相同來流速度(10 m/s)下,同一空化數時,5°攻角下渦輪轉速明顯大于0°攻角渦輪轉速,在空化數為0.9時差距最小,空化數為0.5、0.6時差距最大。

圖8 渦輪轉速和空化數的關系(來流速度10 m/s)Fig.8 The relationship between turbine rotation speed and cavitation number(flow velocity:10 m/s)

對測得的轉速信號進行頻域分析發(fā)現,在0°攻角情況,部分空化數下轉速信號會出現明顯的周期性特征。但在5°攻角下未發(fā)現這種情況。圖9為空化數為0.7時5°攻角和0°攻角相應的渦輪轉速頻譜圖,從中可以看出,0°攻角情況下對應頻率為5.1 Hz信號最強,但在5°攻角下無明顯峰值。產生這種情況的一個可能原因是,在有攻角情況下,渦輪空化情況更為復雜和無序,每個葉片通道和葉片上的和附近的空化區(qū)在每個轉動周期內經歷了從較強分離區(qū)到較弱分離區(qū)的相互轉化,改變了原有的空化產生、發(fā)展、潰滅的周期性變化。

圖9 轉速信號幅頻特性(來流速度10 m/s,空化數0.7)Fig.9 The speed signal amplitude-frequency characteristics (flow velocity:10 m/s,cavitation number:0.7)

4 結論

本文對小攻角下的轉動進行了理論分析,建立了仿真模型和試驗方案。通過渦輪有無攻角情況的研究結果對比,得到了如下結論:

1)仿真結果較好地預測了渦輪的轉動特性,仿真結果正確預測了渦輪的空化區(qū)域。

2)仿真結果顯示,在較低來流速度(小于20 m/s)時,渦輪轉速在5°攻角情況下大于0°攻角,高速下反之。

3)與0°攻角情況下相比,在10 m/s來流速度下,5°攻角下渦輪轉動與空化數的關系變化趨勢基本相同,轉速增加明顯,在空化數為0.9時差距最小。

4)與0°攻角情況下相比,在10 m/s來流速度下,5°攻角時渦輪空化情況更為嚴重和復雜,轉速無明顯周期性變化特征。

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Research on Rotation Characteristics and Cavitation of Underwater Turbine at Small Attack Angle

CHEN Yong1,ZHANG He1,MA Shao-jie1,SHEN De-zhang2
(1.Ministerial Key Laboratory of ZNDY,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China; 2.Institute of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,Sichuan,China)

The rotation of turbine at small attack angle is theoretically analyzed in order to obtain the rotation characteristics of a turbine in front of an underwater fuze at small attack angle,and the simulation models and an experimental program are created.On this basis,the turbine speed at flow velocity of 0 m/s～35 m/s is obtained at 0°and 5°attack angles.For the non-cavitation and the cavitation number from 0.2 to 1.0,the corresponding characteristics of the turbine rotation and cavitation at 10m/s are analyzed by comparing the simulation and experimental results at 0°and 5°attack angles.The results show that the simulation and experimental results are basically consistent and well predict the turbine characteristics.Compared with 0°attack angle,the turbine speed at 5°attack angle becomes higher at lower flow velocity and vice versa;under cavitation,the periodical change of original speed signal of turbine disappears at 5°attack angle,and the turbine stalls in the case of lower cavitation number.

ordnance science and technology;fuze turbine;water tunnel experiment;fluid simulation; small attack angle;cavitation

TF43

:A

1000-1093(2014)05-0620-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.007

2013-08-19

國家自然科學基金項目(51275248);“十二五”兵器支撐項目(62201040603);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXZZ13_0190)

陳勇(1989—),男,博士研究生。E-mail:lyhho@qq.com;張合(1957—),男,教授,博士生導師。E-mail:hezhangz@mail.njust.edu.cn