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不同航行条件下超空泡航行器出水过程数值计算

褚悦 刘平安 黄曦 高崧 嵇振涛 周小虎

褚悦, 刘平安, 黄曦, 等. 不同航行条件下超空泡航行器出水过程数值计算[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(3): 496-506 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017
引用本文: 褚悦, 刘平安, 黄曦, 等. 不同航行条件下超空泡航行器出水过程数值计算[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(3): 496-506 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017
CHU Yue, LIU Pingan, HUANG Xi, GAO Song, JI Zhentao, ZHOU Xiaohu. Numerical Calculation of Water Exit Process of Supercavitating Vehicles under Different Sailing Conditions[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(3): 496-506. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017
Citation: CHU Yue, LIU Pingan, HUANG Xi, GAO Song, JI Zhentao, ZHOU Xiaohu. Numerical Calculation of Water Exit Process of Supercavitating Vehicles under Different Sailing Conditions[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(3): 496-506. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017

不同航行条件下超空泡航行器出水过程数值计算

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

    褚悦:褚 悦(1998-), 女, 在读博士, 主要研究方向为为水下航行器动力学建模与控制、跨介质技术

    通讯作者:

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

  • 中图分类号: TJ630.1; U661.1

Numerical Calculation of Water Exit Process of Supercavitating Vehicles 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、相变及湍流不稳定性, 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, 关注点往往为航行器运动轨迹及姿态, 对超空泡航行器出水过程研究较少。文中基于STAR-CCM+软件, 采用重叠网格技术进行网格划分, 使用流体体积(VOF)多相流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, 加大通气量可有效改善空泡形态。

     

  • 图  1  半球头型航行器模型示意图

    Figure  1.  Model of hemispherical head vehicle

    图  2  不同空化数下航行器表面压力系数数值仿真与实验结果对比

    Figure  2.  Curves 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 the vehicle

    图  4  不同网格数量下航行器轴向阻力随时间变化曲线

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

    图  5  不同网格数量下航行器轴向速度随时间变化曲线

    Figure  5.  Curves of the axial velocity of the vehicle versus time with different number of grids

    图  6  不同网格数量下航行器弹道变化曲线

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

    图  7  航行器模型尺寸

    Figure  7.  Size of the vehicle model

    图  8  背景区域边界条件示意图

    Figure  8.  Schematic diagram of boundary conditions of background region

    图  9  航行器区域边界条件示意图

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

    图  10  不同初始速度下航行器质心出水时刻液相图

    Figure  10.  Liquid phase diagram of the center of mass for the vehicle at the moment of water exit under different initial velocities

    图  11  不同初始速度下航行器典型时刻空泡图

    Figure  11.  Cavitation diagram of the vehicle at typical time at different initial velocities

    图  12  不同初始速度下航行器典型时刻表面压力系数

    Figure  12.  Surface pressure coefficients of the vehicle under typical time under 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 of the center of mass for the vehicle at the moment of water exit under different initial water depths

    图  14  不同初始水深下航行器典型时刻空泡图

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

    图  15  不同初始水深下航行器典型时刻表面压力系数

    Figure  15.  Surface pressure coefficients of the vehicle at typical time under different initial water depths

    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 the center of mass for the vehicle at the moment of water exit under different ventilation

    图  17  不同通气量下航行器典型时刻空泡图

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

    图  18  不同通气量下典型时刻航行器表面压力系数

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

    表  1  经验公式与仿真结果对比

    Table  1.   Comparison between empirical formula results and simulation results

    参数经验公式仿真结果误差/%
    最大空泡半径/m0.086 7350.083 2264.01
    最大空泡长度/m2.170 0002.277 7304.73
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  • [1] Franc J P, Michel J M. Unsteady attached cavitation on an oscillatin hydrofoil[J]. Fluid Mech, 1988, 193(1): 171-189.
    [2] Von Karman T. The impact on seaplane floats during landing[R]. Washington, DC: National Advisory Committee on Aeronautics, 1929: 1-8.
    [3] Robertson J M. Hydroballistic calculations of the rise and water exit of buoyant bodies[M]. Columbus: Defense Technical Information Center, 1959.
    [4] Moran J P. The vertical water-exit and entry of slender symmetric bodies[J]. Journal of the Aerospace Sciences, 1961, 28(10): 803-812. doi: 10.2514/8.9194
    [5] Greenhow M, Lin W M. Non-linear free surface effects: experiments and theory[R]. MIT: Department of Ocean Engineering, 1983: 83-119.
    [6] Greenhow M. Water-entry and exit of a horizontal circular cylinder[J]. Applied Ocean Research, 1988, 10(4): 191-198. doi: 10.1016/S0141-1187(88)80003-8
    [7] Greenhow M, Moyo S. Water entry and exit of horizontal circular cylinders[J]. Philosophical Transactions-Royal Society. Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 1997, 355(1724): 551-563. doi: 10.1098/rsta.1997.0024
    [8] Nguyen V T, Ha C T, Park W G. Multiphase flow simulation of water-entry and exit of axisymmetric bodies [C]//Proceedings of the ASME 2013. San Diego, California, USA: ASME, 2013.
    [9] 李杰, 鲁传敬, 傅惠萍. 细长回转体出水过程的数值模拟[C]//第二十届全国水动力学研讨会文集. 上海: 海洋出版社, 2007: 294-299.
    [10] 鲁传敬,李杰. 水下航行体出水空泡溃灭过程及其特性研究[C]//第十一届全国水动力学学术会议暨第二十四届全国水动力学研讨会并周培源诞辰110周年纪念大会文集(上册).上海: 海洋出版社, 2012: 54-67.
    [11] 刘杰 . 航行体出水过程通气空化流场特性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.
    [12] 袭祥发. 超空泡导弹潜射出水过程流固耦合数值研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2022.
    [13] 田建辉, 胡晨明. 高速弹体出水过程数值模拟[J]. 兵器装备工程学报, 2023, 44(12): 73-78, 176. doi: 10.11809/bqzbgcxb2023.12.010
    [14] Hirt C W, Nichols B D. Volume of fluid(VOF) method for the dynamics of free boundaries[J]. Journal of Computational Physics, 1981, 39(1): 201-225. doi: 10.1016/0021-9991(81)90145-5
    [15] Shih T H, Liou W W, Shabbir A, et al. A new kepsilon eddy viscosity model for high: Reynolds number turbulent flows[J]. Computers Fluids, 1995, 24(3): 227-238. doi: 10.1016/0045-7930(94)00032-T
    [16] Sauer J, Schnerr G H. Development of a new cavitation model based on bubble dynamics[J]. Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 2001, 81(S3): 561-562. doi: 10.1002/zamm.20010811559
    [17] 尤天庆, 张嘉钟, 王聪, 等. 航行体出水过程头部流场载荷特性分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2011, 37(5): 610-614.
    [18] Savchenko Y N, Vlasenko Y D, Semenenko V N. Experimental studies of high-speed cavitated flows[J]. International Journal of Fluid Mechanics Research, 1999, 26(3): 365-374. doi: 10.1615/InterJFluidMechRes.v26.i3.80
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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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