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航行器水面滑行流场特性数值仿真

刘富强 孙元 王广平 王雪峰

刘富强, 孙元, 王广平, 等. 航行器水面滑行流场特性数值仿真[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(4): 485-493 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202107003
引用本文: 刘富强, 孙元, 王广平, 等. 航行器水面滑行流场特性数值仿真[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(4): 485-493 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202107003
LIU Fu-qiang, SUN Yuan, WANG Guang-ping, WANG Xue-feng. Numerical Simulation on Flow Field Characteristics of Vehicle Planing[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(4): 485-493. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202107003
Citation: LIU Fu-qiang, SUN Yuan, WANG Guang-ping, WANG Xue-feng. Numerical Simulation on Flow Field Characteristics of Vehicle Planing[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(4): 485-493. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202107003

航行器水面滑行流场特性数值仿真

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202107003
详细信息
    作者简介:

    刘富强(1995-), 男, 硕士, 助理工程师, 主要研究方向为水下航行器研究与设计及水下航行器回收技术

  • 中图分类号: TJ630.1; U661.1

Numerical Simulation on Flow Field Characteristics of Vehicle Planing

  • 摘要: 基于STAR-CCM+数值计算软件, 选用剪切应力传输k-ω湍流模型, 采用流体体积波和多重运动参考系构建航行器水面滑行数值仿真模型, 并进行了可行性验证。利用该模型对航行器在不同速度下的水面滑行工况进行数值仿真, 研究其流场特性和流体动力特性。仿真结果表明, 航行器在水面滑行速度高于30 m/s时, 尾端发生空化, 空泡内压力低于航行器尾端沾湿面压力; 空泡发生形变, 液面向航行器尾部卷曲并形成飞溅, 航行器尾端形成封闭空泡, 在泡内出现绕流, 泡内为低压区, 此时航行器的升力为负值, 待滑行速度提高, 空泡溃灭与大气连通, 升力值明显提高; 在航行器以不同速度进行水面滑行的过程中, 流场明显不同, 导致升力系数和阻力系数差异较大, 升力甚至出现负值, 其主要与不同速度下航行器尾端空化效果不同, 导致沾湿及航行器表面压力分布存在差异有关。研究结果可为航行器水面滑行工程应用提供理论参考。

     

  • 图  1  滑水试验照片与数值仿真结果

    Figure  1.  Planing test photo and numerical simulation result

    图  2  航行器20 m/s时水下航行流场

    Figure  2.  Underwater flow field around the vehicle navigating at 20 m/s

    图  3  计算域尺寸及边界示意图

    Figure  3.  Diagram of calculation domain size and boundaries

    图  4  航行器尾部网格局部

    Figure  4.  Local mesh at the tail of the vehicle

    图  5  不同速度下航行器滑行气液交界面及空化效果图

    Figure  5.  Diagram of gas-liquid interfaces and cavitation effects of the vehicle planning at different speeds

    图  6  不同速度下航行器水面滑行密度云图

    Figure  6.  Density contours of the vehicle planning at different speeds

    图  7  不同速度下航行器水面滑行压力云图

    Figure  7.  Pressure contours of the vehicle planing at different speeds

    图  8  速度50 m/s时航行器水面滑行尾部流线

    Figure  8.  Streamline diagram of the vehicle planing at 50 m/s

    图  9  航行器水面滑行流体动力特性曲线

    Figure  9.  Curves of hydrodynamic characteristics of vehicle planing

    图  10  航行器水面滑行沾湿效果图

    Figure  10.  Diagram of wetting effect of vehicle planing

    图  11  航行器水面滑行力分解示意图

    Figure  11.  Diagram of force resolution for vehicle planing

    图  12  速度50 m/s时航行器水面滑行截面密度云图

    Figure  12.  Cross-sectional density contour of the vehicle planning at 50 m/s

    图  13  不同速度下航行器表面压力云图

    Figure  13.  Surface pressure contours of the vehicle at different speeds

    表  1  不同网格数量下水面滑行流体动力特性

    Table  1.   Hydrodynamic characteristics of the vehicle planing under different mesh numbers

    网格数量FD/NFL/NCDCL
    237万47 688143 0760.052 90.158
    344万38 092120 5890.042 20.134
    496万35 476112 3540.039 30.125
    581万33 264108 8360.036 90.121
    674万32 908108 6980.036 50.121
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    表  2  不同速度下航行器水面滑行流体动力特性

    Table  2.   Hydrodynamic characteristics of the vehicle planing at different speeds

    v/(m·s1)FD/NFL /NCDCL
    10 560 900 0.050 0.081
    20 4 600 −2 400 0.103 −0.054
    30 10 956 −6 754 0.109 −0.067
    40 15 580 −13 740 0.087 −0.077
    50 21 400 −1 200 0.077 −0.004
    60 16 000 24 780 0.040 0.062
    70 20 908 48 436 0.038 0.089
    80 26 954 76 666 0.038 0.107
    90 33 264 108 836 0.037 0.121
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-07
  • 修回日期:  2021-10-11
  • 网络出版日期:  2022-09-06

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