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不同航行条件下航行器出水过程数值计算研究

刘平安 褚悦 黄曦 高崧 嵇振涛 周小虎

刘平安, 褚悦, 黄曦, 等. 不同航行条件下航行器出水过程数值计算研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017
引用本文: 刘平安, 褚悦, 黄曦, 等. 不同航行条件下航行器出水过程数值计算研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017
LIU Pingan, CHU Yue, HUANG Xi, GAO Song, JI Zhentao, ZHOU Xiaohu. Research on numerical calculation of vehicle water exit under different sailing conditions[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017
Citation: LIU Pingan, CHU Yue, HUANG Xi, GAO Song, JI Zhentao, ZHOU Xiaohu. Research on numerical calculation of vehicle water exit under different sailing conditions[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017

不同航行条件下航行器出水过程数值计算研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017
详细信息
    作者简介:

    刘平安(1982-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向为水下超空泡航行体及跨介质技术

  • 中图分类号: TJ630.1; U661.1

Research on numerical calculation of vehicle water exit under different sailing conditions

  • 摘要: 航行器出水过程极其复杂, 伴随着多相流、空化、相变、湍流不稳定性, 其所受作用力呈现强的非定常、非线性。国内外对于航行器带空泡出水问题的研究, 多为航行器垂直或者倾斜出水, 关注点往往在于航行器运动轨迹及姿态, 超空泡航行器出水过程研究较少, 本文基于STAR-CCM+软件, 采用重叠网格技术进行网格划分, 使用VOF模型捕捉气液交界面, Schnerr-Sauer模型描述航行器周围的空化过程, 建立了航行器出水过程的数值计算模型。对航行器在不同航行条件(初始速度、初始水深、通气量)下的出水过程进行仿真计算, 得到了不同工况下的流场和空泡演化规律, 分析了超空泡航行器的流体动力特性与运动特性。仿真结果表明, 不同初始运动速度的航行器其水下运动呈现出2种不同的模式。不同水深下, 初始空化数不同, 在较深的水域航行器周围空泡更容易破裂; 加大通气量可以有效地改善空泡形态。

     

  • 图  1  半球头型航行器模型示意

    Figure  1.  Model of hemispherical head vehicle

    图  2  不同空化数情况下航行器表面压力系数的数值模拟结果与实验结果对比

    Figure  2.  Curve of Numerical simulation results and experimental results of the surface pressure coefficient of the vehicle under different cavitation numbers

    图  3  航行器模型示意图

    Figure  3.  Model of vehicle

    图  4  不同网格数量下的航行器轴向阻力随时间变化曲线图

    Figure  4.  Curve of axial resistance of the vehicle varies with time under different mesh numbers

    图  5  不同网格数量下的航行器轴向速度随时间变化曲线图

    Figure  5.  Curve of the axial velocity of the vehicle over time with different number of grids

    图  6  不同网格数量下的航行器弹道变化曲线图

    Figure  6.  Trajectory curve of vehicle with different number of grids

    图  8  背景区域边界条件示意图

    Figure  8.  Schematic diagram of background region boundary conditions

    图  7  航行器模型尺寸示意图(单位: mm)

    Figure  7.  Schematic diagram of the size of the vehicle model (unit: mm)

    图  9  航行器区域边界条件示意图

    Figure  9.  Schematic diagram of the boundary conditions of the vehicle region

    图  10  不同初速度下航行器质心出水时刻液相图

    Figure  10.  Liquid phase diagram at different initial velocities

    图  11  不同初始速度下航行器在典型时刻空泡图

    Figure  11.  Cavitation diagram of projectile body at typical time under different initial velocities

    图  12  不同初始速度下典型时刻航行器表面压力系数

    Figure  12.  Surface pressure coefficient of projectile at typical time at different initial velocities

    图  13  不同初始水深下航行器质心出水时刻液相图

    Figure  13.  Liquid phase diagram at different initial water depths

    图  14  不同初始水深下航行器在典型时刻空泡图

    Figure  14.  Cavitation diagram of vehicley at typical time under different initial water depths

    图  15  不同初始水深下典型时刻航行器表面压力系数

    Figure  15.  Surface pressure coefficient of vehicle at typical time under different initial water depth

    图  16  不同通气量下航行器质心出水时刻液相图

    Figure  16.  Liquid phase diagram of vehicle centroid outlet time under different ventilation flow

    图  17  不同通气量下航行器在典型时刻的空泡图

    Figure  17.  Cavitation diagram of vehicle at typical time under different ventilation flow

    图  18  不同通气量下典型时刻航行器表面压力系数图

    Figure  18.  Surface pressure coefficient diagram of projectile at typical time under different ventilation flow

    表  1  经验公式结果与仿真结果对比

    Table  1.   Comparison table between empirical formula results and simulation results

    经验公式仿真结果误差(%)
    最大空泡半径(m)0.086 7350.083 2264.01
    最大空泡长度(m)2.172.27 7734.73
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    表  2  不同初始速度工况表

    Table  2.   Table of different initial velocities conditions

    工况标记初始速度v(m/s)通气量qM(kg/s)空化器角度(°)初始深度h(m)
    #1900.1103
    #2100
    #3110
    #4120
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    表  3  不同水深计算工况表

    Table  3.   Table of different water depth calculation working conditions

    工况标记初始水深h(m)通气量qM(kg/s)初始速度v(m/s)空化器倾角(°)
    #130.110010
    #24
    #35
    #46
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    表  4  不同通气量计算工况表

    Table  4.   Table of different ventilation flow calculation working conditions

    工况标记通气量qM(kg/s)初始速度v(m/s)空化器角度(°)初始深度h(m)
    #10.09100103
    #20.10
    #30.11
    #40.12
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-15
  • 修回日期:  2024-03-14
  • 录用日期:  2024-03-18
  • 网络出版日期:  2024-04-09

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