高速航行體通氣空泡流動研究.pdf

1、潛射導彈具有隱蔽性和機動性的特點，是極其重要的水下武器裝備。潛射導彈水下垂直發(fā)射過程中，隨著環(huán)境壓力的變化和導彈的加速運動，不可避免的會產(chǎn)生自然空泡。自然空泡對導彈的流動載荷、結(jié)構(gòu)振動和噪聲等產(chǎn)生不良影響。
　　采用通氣空泡技術(shù)獲得穩(wěn)定空泡來消除自然空泡的不良影響，是導彈水下發(fā)射的一項新技術(shù)。國內(nèi)將通氣空泡技術(shù)應用于導彈水下發(fā)射的研究剛剛起步，雖然對于潛射導彈的空化現(xiàn)象已經(jīng)有了一定的研究，但對于彈體通氣空泡流動的溫度效應與尺度效應

2、認識不足。本文就此開展了理論分析與數(shù)值模擬研究，對潛射導彈垂直發(fā)射上升過程重力場中的通氣空泡流動相關問題進行了研究。
　　主要研究內(nèi)容與成果如下：
　　1．針對潛射導彈水下垂直運動這一復雜的物理過程，將其簡化為軸對稱問題，以 CFD軟件 FLUENT12及其二次開發(fā)為平臺，基于Reynolds平均Navier-Stokes方程和Mixture多相流模型，耦合自然空化模型，建立了氣、汽、液多相流的空泡流數(shù)學模型。
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3、．由于導彈在垂直發(fā)射過程中的運動導致計算域的不斷變化，采用動網(wǎng)格技術(shù)。研究了網(wǎng)格依賴性，以及差分格式、空泡模型與湍流模式的影響，并進行分析對比。
　　3．導彈垂直發(fā)射上升過程中（包括補氣階段）通氣空泡的演化過程大致分成三個階段。初始階段僅有少量的氣體覆蓋于通氣孔后的一小段區(qū)域，壓力的極大值位于彈體前駐點處，初始空泡對流場的影響較小，彈體外圍呈現(xiàn)明顯的靜水壓強分布；第二階段，空泡增長較快，長度增長到接近1/4L。由于彈體一直做勻加速

4、運動，其頭部的壓力梯度和尾部的低壓區(qū)梯度逐漸增大，但由于此時尾端的環(huán)境水壓較高，沒有觀察到明顯的自然空化現(xiàn)象；補氣運動階段的通氣質(zhì)量流量接近原來的兩倍，長度接近1/2 L，在高速航行體尾部可以觀察到明顯的汽水混合物云團。
　　4．在通氣空泡形成過程中，彈體表面的壓力系數(shù)隨著環(huán)境壓力的降低不斷減小，在空化區(qū)壓力系數(shù)基本恒定，在空泡閉合區(qū)域后彈體柱段表面壓力系數(shù)不斷增加。通氣空泡的形成改變了彈體表面的壓力分布，在空泡前沿和閉合區(qū)均存在

5、較大的壓力梯度。壓力恢復的峰值開始由于逆壓梯度的增加逐漸增大，而后受環(huán)境壓力減小的影響而降低。
　　5．在滿足模型幾何相似、Fr數(shù)相等、空化數(shù)相等的相似條件的情況下，模型縮尺減小，空泡的長度隨之有一定程度的減小。同時摩擦阻力系數(shù)隨比尺的減小而增大，壓差阻力系數(shù)變化不大。對5組縮比算例積分通氣質(zhì)量，表明模擬結(jié)果比理論值偏小。
　　6．在高溫工況下，空化區(qū)尾部汽水混合區(qū)厚度明顯增大。300K時，氣體在通氣孔喉嘴處溫度達到最低值；