水下航行体模型空化特性的数值模拟.pdf

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1、总第233期2013年第1l期舰船电子工程ShipElectronicEngineeringV01．33No．1165水下航行体模型空化特性的数值模拟。黄鹏飞孙鹤泉王继光鞠增彪(海军大连舰艇学院军事海洋系大连116018)摘要论文基于非稳态条件下的多相流模型，采用Fluent软件对水下航行体模型水下运动时自然空化以及声场特性进行了数值模拟。数值模拟结果表明：模型所受压差阻力与航行速度的平方正相关，丽粘性阻力则因为自然空化的发生呈现先增大后减小又增大的复杂变化趋势；空化现象形成于模型头肩部，随着速度的不断增大逐渐向后发展成超空泡，空泡形状在长度上的变化大于厚度变化；超空泡现象发生时模型尾部

2、声压级相对降低。关键词自然超空泡；Mixture多相流模型；FWH声学模型中图分类号0141．4DOI：10．3969／j．issnl6729722．2013．11．023NumericalSimulationoftheNaturalCavitatingCharacteristicsofTorpedoModelHUANGPengfeiSUNHequanWANGJiguangJUZengbiaoJcplofMilitaryOceanography，DalianNavalAcademy，Dalian116018)AbstractBasesdontheMixturemulti—phaseflu

3、idmodelinunsteadyconditions．numericalsimulationsofthenaturalcavitatinganda—cousticcharacteristicsoftorpedomodelarecarriedoutwithFluent．Thesimulationresultsshowthatthepressuredrag0fthemodelhasapositiverelationshipwiththesquareofvelocitywhiletheviscousdraghasacomplexrelationshapewiththevlocity．Cavi

4、tatingphenomenonformatsontheheadofthemodelandthenexpandstOsupercavitation．Meanwhile，thelengthofcavitychangesvariouslythanthethickness．Whenthesupercavltationappears．thenoiselevelofthemodelwillreduce．KeyWordssupervavitation，Mixturemulti—phasemodel，FW—HacousticsmodelCIassNul咖rO】4】．41引言水下航行体运动过程中，随着其

5、运动速度的加快，航行体局部表面压力会不断减小，当压力值小于水的汽化压强时，水由液相变为水蒸气，形成空化现象。当空化现象继续发展到包裹整个航行体时，即产生超空泡现象。目前超空泡主要分为通气超空泡和自然超空泡两种，前者依靠人工通气增加空泡内压强生成超空泡，后者是航行体在水下高速运动时能够自身形成超空泡_：。超空泡现象发生且寸，航行体所受水的粘性阻力会大大降低，能应用于水下武器减阻领域，具有很大军事应用价值12J。长期以来，国内外学者对空化现象的研究做了大量工作，各国海军也针对空化武器开展了相应的理论和实验研究L3“]。目前的研究手段主要是理论推导、数值模拟和水洞实验，由于空化现象非稳态、非线

6、性的特点，理论分析难度极大，水洞实验中支撑部件的存在也对模拟结果影响很大口一，数值方法成为了重要的研究手段。数值模拟方法主要基于势流理论和Navier-Stokes方程，后者又包括单一流体介质模型和界面追踪两种方法_8”]。近年来，随着数值理论的不断完善，对空泡现象发生时空泡的形态特征、动力特性以及空泡发展的非稳态过程的数值研究有了很大进展[I”“：，但是对于航行体空化发生直至产生超空泡过程中其水动力噪声的研究则很少。本文利用Fluent软件，立足于水下航行体模型空化特性的理论研究，假定模型可以以任意速度运行(突破原型的速度上限)，基于均匀多相流假设对模型的自然空化现象进行了数值模拟。分

7、析了20m／s～100m／s不同速度条件下空泡的形态发展和阻力特性，研究了不同空化状态下模型水动力噪声的变化，得出了几个有意义的结论。2理论公式与数值模型2．1理论公式空化现象包含水和水蒸气两种介质，采用Mixture多相流模型对混合相的连续性方程和动量方程进行求解。混合相的连续方程为!磐+V·(阳“)一砌(1)其中砌为混合相密度；U为混合相质量平均速度；rn为空化引起的质量输运。混合相动量方程为塑尝生+v·(胁州)=一v．p+V·