小攻角下航行體三維非定常空泡形態(tài)理論預(yù)示方法

程少華，權(quán)曉波，于海濤，翟章明，王占瑩（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

小攻角下航行體三維非定?？张菪螒B(tài)理論預(yù)示方法

程少華，權(quán)曉波，于海濤，翟章明，王占瑩
（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

小攻角下水下航行體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)形成不對(duì)稱、非定常空泡，空泡形態(tài)是水下流體動(dòng)力及彈道設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。該文基于空泡獨(dú)立膨脹原理，考慮橫流對(duì)獨(dú)立空泡發(fā)展的影響，建立了帶攻角狀態(tài)下空泡形態(tài)理論計(jì)算模型。針對(duì)典型工況開展計(jì)算獲得了航行體迎背流面空泡長(zhǎng)度、空泡壓力變化過(guò)程，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)以驗(yàn)證模型的合理性。

空泡形態(tài)；局部空化；獨(dú)立膨脹原理；流體動(dòng)力；非定常

0 引 言

當(dāng)航行體在水中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面某些部位的壓力低于水的飽和蒸汽壓而出現(xiàn)空化現(xiàn)象，將使得空泡附著于航行體的表面。隨著航行體速度和所處位置的不斷變化，空化處的空泡數(shù)也隨之發(fā)生改變，使得空化形成的空泡形態(tài)呈現(xiàn)出隨時(shí)間變化的非定常特征。特別是當(dāng)來(lái)流與航行體存在一定的攻角時(shí)，迎背流面的空泡長(zhǎng)度也有所不同，使得空泡呈現(xiàn)出三維特性。航行體空泡非定常發(fā)展及不對(duì)稱性將改變航行體表面的壓力分布，從而對(duì)其水下運(yùn)動(dòng)軌跡和受力特征產(chǎn)生較大影響。準(zhǔn)確預(yù)示非定常三維空泡形態(tài)是空泡繞流流體動(dòng)力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是航行體水下運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)的前提。

小攻角下航行體空泡流動(dòng)是典型的非定常多相流問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行建模和預(yù)示具有較大的難度。早期的研究主要以基于勢(shì)流理論的邊界元方法為主，通過(guò)假設(shè)汽液兩相之間具有明確的界面、空泡內(nèi)壓力恒定，且假定空泡在物體表面的閉合形式，可根據(jù)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件最終確定空泡的形態(tài)和位置。Kinnas[5]通過(guò)在水翼和空泡表面分布法向偶極子和源，假設(shè)空化區(qū)的速度為沿著水翼的長(zhǎng)度變化的變量，采用基于速度勢(shì)的邊界元方法對(duì)水翼三維空泡繞流問(wèn)題進(jìn)行了研究，冷海軍[6]、傅慧萍[7]等在空泡尾部采用壓力恢復(fù)模型，求解給定空泡數(shù)下軸對(duì)稱體的定?？张菪螒B(tài)，張忠宇等[8]將該方法擴(kuò)展至三維帶攻角狀態(tài)空泡形態(tài)計(jì)算，并分析了空化數(shù)、攻角以及錐角對(duì)三維空泡形態(tài)的影響規(guī)律。總體上來(lái)看基于勢(shì)流理論的邊界元方法主要針對(duì)定常狀態(tài)二維或三維空泡形態(tài)開展計(jì)算。

近些年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)和數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展，通過(guò)求解N-S方程的數(shù)值CFD技術(shù)在空泡繞流計(jì)算中獲得廣泛應(yīng)用。通過(guò)研究多相流模型、湍流模型、空化模型對(duì)空泡形態(tài)的影響規(guī)律，結(jié)合與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)建立了適用于不同條件下空泡流的計(jì)算方法。權(quán)曉波等[9]采用均相平衡流模型、Singhal模型及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型獲得了定常狀態(tài)大攻角下與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好的空泡形態(tài)，分析了不同攻角、空化數(shù)對(duì)彈體受力的影響，王一偉等[10]采用均相平衡流模型、Singhal模型及RNG k-ε湍流模型獲得了航行體水下及出水過(guò)程中空泡非定常發(fā)展及潰滅特征。數(shù)值CFD方法可獲得相對(duì)較為準(zhǔn)確的空泡流場(chǎng)特征，但針對(duì)非定?？张萘鞯挠?jì)算所需時(shí)間較長(zhǎng)。

針對(duì)非定?？张菪螒B(tài)的預(yù)示，工程上確定空泡形態(tài)常采用Logvinovich[1]提出的“空泡獨(dú)立膨脹原理”。以此為基礎(chǔ)，Paryshev[2]建立了一組描述通氣空泡的非線性遲滯微分方程組（Delay Differential E-quations，簡(jiǎn)寫為DDEs），并采用線性理論分析了多種空泡類型的穩(wěn)定性。Kirschner[3]針對(duì)Paryshev的模型提出了一種有效的求解方法，獲得了航行體水平運(yùn)動(dòng)時(shí)的超空泡形態(tài)變化特征。在國(guó)內(nèi)，陳瑋琪等[11]基于“空泡獨(dú)立膨脹原理”導(dǎo)出了非定常垂直空泡長(zhǎng)度的計(jì)算公式，并給出了出水空泡潰滅高壓作用的條件和判據(jù)，張學(xué)偉等[12]基于“空泡獨(dú)立膨脹原理”給出了通氣空泡下空泡形態(tài)和壓力的理論計(jì)算方法?，F(xiàn)有的基于"獨(dú)立膨脹原理"的非定?？张菪螒B(tài)理論計(jì)算僅針對(duì)二維軸對(duì)稱狀態(tài)，對(duì)于三維空泡形態(tài)的理論計(jì)算尚無(wú)成熟模型可供借鑒。

針對(duì)小攻角狀態(tài)下三維非定?？张菪螒B(tài)的理論預(yù)示問(wèn)題，本文以空泡獨(dú)立膨脹原理為基礎(chǔ)，考慮橫流對(duì)獨(dú)立空泡發(fā)展的影響，建立了帶攻角狀態(tài)下空泡非定常發(fā)展理論計(jì)算模型，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)以驗(yàn)證模型的合理性。該方法可大大提高計(jì)算效率，便于采用理論分析的方式獲取影響三維空泡形態(tài)的主要要素，供工程設(shè)計(jì)人員參考。

1 三維非定?？张蓊A(yù)示模型建立

1.1 獨(dú)立膨脹原理

圖1 二維軸對(duì)稱空泡發(fā)展示意圖Fig.1 Sketch map for 2-D symmetric cavity development

式中：壓力p∞=p0+ρg，為截面Σ所處的靜壓，p0為水面大氣壓，x為空泡初生位置距離水面高度，Lc為空泡長(zhǎng)度。pc為空泡泡壓，隨時(shí)間不斷變化。k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，，a為與彈體頭型、空化數(shù)相關(guān)的常數(shù)。

在初始時(shí)刻，截面S滿足方程：

式中：R0為航行體柱段半徑；Cx為航行體頭錐段阻力系數(shù)。

圖1所示為二維軸對(duì)稱空泡發(fā)展示意圖。

1.2 帶攻角下獨(dú)立膨脹原理

考慮航行體在水下以速度V（t）、攻角α向水面運(yùn)動(dòng)，以截面Σ為研究對(duì)象，根據(jù)“空泡獨(dú)立膨脹原理”由于該截面空泡周圍靜壓相同，故而空泡的橫截面仍為圓形，但由于橫向速度分量的影響，空泡的圓心也隨之運(yùn)動(dòng)。

將航行體速度V沿彈體分解為軸向速度Vy和橫向速度Vx，并假定兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)空泡的影響是相互獨(dú)立的，建立帶攻角狀態(tài)下的空泡獨(dú)立膨脹方程：

圖2 三維有攻角下運(yùn)動(dòng)空泡發(fā)展示意圖Fig.2 Sketch map for 3-D symmetric cavity development

圖3 空泡橫截面與航行體相對(duì)位置關(guān)系圖Fig.3 Relative position for cavity section and body

式中：xs（t）為t時(shí)刻截面Σ圓心的橫移量。Vx（t）為t時(shí)刻航行體運(yùn)動(dòng)速度的橫向分量，滿足Vx=Vsin （α），α為來(lái)流相對(duì)航行體攻角。

圖2所示為三維有攻角下運(yùn)動(dòng)空泡發(fā)展示意圖。

1.3 空泡閉合模型判定

根據(jù)橫截面空泡面積和橫移量的變化過(guò)程，可建立空泡橫截面與航行體的相對(duì)位置關(guān)系，如圖3所示。其中R0為航行體半徑，Rc為空泡橫截面半徑，xs為空泡橫截面圓心的偏移量。

當(dāng)空泡截面、航行體截面的相對(duì)位置關(guān)系如圖3（1）所示，空泡橫截面完全包裹了航行體橫截面，此時(shí)滿足如下表達(dá)式：

式中：Q（ξ, t）為t時(shí)刻ξ截面有效橫截面積，xs（ξ, t）為t時(shí)刻ξ截面橫移量。

當(dāng)空泡截面、航行體截面的相對(duì)位置關(guān)系如圖3（2）所示，空泡迎流面剛剛包裹了航行體橫截面，迎流面空泡厚度為零，此時(shí)滿足如下表達(dá)式：

式中：ξy（t）為滿足迎流面空泡厚度為0的截面序號(hào)；Q（ξy（t）,t）為t時(shí)刻ξy（t）截面有效橫截面積，Ly（t）為t時(shí)刻迎流面空泡長(zhǎng)度，Ts為數(shù)值求解時(shí)間步長(zhǎng)。

當(dāng)空泡截面、航行體截面的相對(duì)位置關(guān)系如圖3（3）所示，航行體背流面為空泡區(qū)，迎流面為全濕流區(qū)，空泡橫截面未能對(duì)彈體進(jìn)行有效包裹，此時(shí)滿足如下表達(dá)式：

式中：θ1為空泡與航行體重合區(qū)在航行體圓截面上對(duì)應(yīng)的圓心角的一半，如圖3（3）所示的∠po1o2；θ2為空泡與航行體重合區(qū)在空泡圓截面上對(duì)應(yīng)的圓心角的一半，如圖3（3）所示的∠po2o1；Q ——ξ,t）為t時(shí)刻ξ截面有效橫截面積。

當(dāng)空泡截面、航行體截面的相對(duì)位置關(guān)系如圖3（4）所示，空泡背流面與航行體橫截面相切，背流面空泡厚度為零，本時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算截至。此時(shí)滿足如下表達(dá)式：

式中：ξb（t）為滿足背流面空泡厚度為0的截面序號(hào)；Q（ξb（t）,t）為t時(shí)刻ξb（t）截面有效橫截面積；Lb（t）為t時(shí)刻背流面空泡長(zhǎng)度；Ts為數(shù)值求解時(shí)間步長(zhǎng)。

從而最終得到空泡體積Q（t）為：

式中：Q（i,t）為t時(shí)刻第i截面有效橫截面積；Ts為數(shù)值求解時(shí)間步長(zhǎng)。

1.4 質(zhì)量守恒方程

空泡的非定常發(fā)展過(guò)程需滿足質(zhì)量守恒方程，具體方程形式為：

式中：m（t）為t時(shí)刻空泡氣體的質(zhì)量；c1為空泡氣體的分子量；in為通入空泡的質(zhì)量流率，為計(jì)算時(shí)設(shè)定值，當(dāng)自然空化時(shí)˙in=0；˙out為空泡泄氣質(zhì)量流率，參考Logvinovich給出的泄氣經(jīng)驗(yàn)公式，得到：

式中：kout≈0.01，為空泡泄氣常數(shù)；σv為自然空化數(shù)；σ為空泡空化數(shù)。

2 模型特殊解

假定航行體在水下運(yùn)動(dòng)的速度V恒定、攻角α保持為常值，且空泡壓力保持不變，對(duì)有攻角下迎背水面泡長(zhǎng)差進(jìn)行求解。

根據(jù)（3）式和迎流面空泡長(zhǎng)度截止條件，可得到迎流面空泡截止時(shí)刻Δty滿足表達(dá)式：

解得：

同理，可得到背流面空泡截止時(shí)刻Δtb的表達(dá)式：

進(jìn)而得到迎背流面泡長(zhǎng)差的表達(dá)式為：

上式表明當(dāng)彈體處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下且泡壓不變時(shí)，迎背流面泡長(zhǎng)差與彈體的攻角近似成正比關(guān)系。

3 預(yù)示方法驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ吞厥饨猓?7）式、非定?？张菪螒B(tài)預(yù)示方法（3）式的有效性，分別采用數(shù)值CFD計(jì)算結(jié)果、航行體垂直發(fā)射水下彈射試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

采用數(shù)值CFD計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)本文第2章模型特殊解下（3）式進(jìn)行驗(yàn)證。本文選用參考文獻(xiàn)[9]中不同攻角下迎背流面壓力系數(shù)CFD計(jì)算結(jié)果，如圖4所示，該數(shù)值CFD計(jì)算結(jié)果已經(jīng)經(jīng)水洞試驗(yàn)所證實(shí)。通過(guò)對(duì)圖4壓力系數(shù)的判讀，得到4°攻角下迎背水面泡長(zhǎng)差相對(duì)彈長(zhǎng)的歸一化長(zhǎng)度為0.089，8°攻角下迎背水面泡長(zhǎng)差相對(duì)彈長(zhǎng)的歸一化長(zhǎng)度為0.17。

圖4 數(shù)值CFD壓力系數(shù)結(jié)果（σ=0.3）Fig.4 CFD results for pressure coefficient(σ=0.3)

根據(jù)（17）式，計(jì)算得到4°攻角下迎背水面泡長(zhǎng)差相對(duì)彈長(zhǎng)的歸一化長(zhǎng)度為0.084 3，8°攻角下迎背水面泡長(zhǎng)差相對(duì)彈長(zhǎng)的歸一化長(zhǎng)度為0.169?？梢姡?7）式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值CFD仿真結(jié)果得到不同攻角下泡長(zhǎng)差量值吻合較好，且體現(xiàn)了泡長(zhǎng)差隨攻角近似呈正比關(guān)系，表明了（17）式的正確性。

通過(guò)開展水下垂直發(fā)射彈射試驗(yàn)對(duì)有攻角下非定常運(yùn)動(dòng)空泡形態(tài)計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。為了模擬帶攻角的運(yùn)動(dòng)，航行體垂直向上彈射時(shí)給定初始橫向速度。在航行體迎背水面布置壓力傳感器，通過(guò)壓力測(cè)量數(shù)據(jù)判定非定常空泡長(zhǎng)度和壓力的變化歷程。

同步開展空泡形態(tài)理論預(yù)示，相關(guān)計(jì)算方法如參考文獻(xiàn)[12]。聯(lián)合獨(dú)立膨脹原理和質(zhì)量守恒方程，獲得迎背水面空泡長(zhǎng)度、空泡壓力隨時(shí)間的變化歷程，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，見圖5、圖6所示。從比對(duì)結(jié)果來(lái)看，理論預(yù)示值與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好，表明本方法的合理性。

圖5 理論預(yù)示泡長(zhǎng)與試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)Fig.5 Comparison of theoretical and experimental results for cavity length

圖6 理論預(yù)示泡壓與試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)Fig.6 Comparison of theoretical and experimental results for cavity pressure

4 結(jié) 論

本文通過(guò)在Logvinovich獨(dú)立膨脹原理中引入橫流影響，將二維軸對(duì)稱空泡理論計(jì)算模型擴(kuò)展至三維帶攻角下理論計(jì)算情形，獲取了水下垂直發(fā)射迎背流面空泡非定常發(fā)展過(guò)程。通過(guò)對(duì)空泡形態(tài)理論預(yù)示方法進(jìn)行研究表明，定常狀態(tài)下迎背流面空泡長(zhǎng)度差與攻角密切相關(guān)?？张蓍L(zhǎng)度差隨攻角的增大而增大，并呈現(xiàn)出近似線性關(guān)系；非定常三維空泡迎背流面長(zhǎng)度和壓力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，表明本方法可適用于小攻角下非定?？张萘饔?jì)算。

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Three-dimensional cavitation shape of the underwater vehicles at a small attack angle in unsteady flow

CHENG Shao-hua,QUAN Qiao-bo,YU Hai-tao,ZHAI Zhang-ming,WANG Zhan-ying
(Beijing Institute of Astronautical System Engineering,Beijing 100076,China)

Asymmetry of unsteady cavities can be formed when the body moves with a high speed and small attack angle,which is the main design basis of hydrodynamics and hydroballistics.Theoretical model is established based on Logvinovich independence principle,considering the influence of crossflow effect.A typical case is simulated to get cavity length of the face flow surface and the back flow surface,as well as cavity pressure.Finally,the comparison is performed between the results of the theoretical model and the experiment,which confirms the theoretical approach in this study.

cavity shape;partially cavitation;Logvinovich independence principle;hydrodynamics;unsteady

O352

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.08.001

1007-7294（2015）08-0889-07

2015-03-23

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（A0320110015）和973項(xiàng)目（613171）

程少華（1982-），男，工程師，E-mail:chengshaohua_2008@163.com；權(quán)曉波（1976-），男，博士后。