带尾翼水下自然超空泡射弹数值模拟研究 (2013年)

基于Navier-Stokes方程，考虑气液间相变，采用大涡模拟湍流模型，PISO算法及VOF方法，利用自行开发的程序对绕三维带尾翼水下自然超空泡射弹的非定常空泡流动进行了数值模拟研究。通过计算结果得到超空泡从射弹头部初生至完全包裹弹身的形成过程。在此基础上，计算不同攻角条件下的超空泡形态，并给出射弹表面空泡厚度分布曲线，分析不同攻角对超空泡形态特性的影响规律，以及在零攻角条件下，分析尾翼对空泡形态的影响。另外计算不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度，将计算结果与实验数据进行对比，两者吻合较好。研究结 ### 带尾翼水下自然超空泡射弹数值模拟研究 #### 概述 本文档探讨了一项关于带尾翼水下自然超空泡射弹的数值模拟研究。该研究聚焦于利用一系列先进的数学模型和技术手段来探索水下射弹在不同条件下形成的超空泡流动现象。 #### 数值模拟方法 研究采用了以下几种关键的技术手段： - **Navier-Stokes方程**：这是描述流体动力学的基础方程之一，能够精确地模拟流体的运动。 - **气液相变**：考虑了气泡和液体之间的相互转换过程，这对于理解超空泡的形成至关重要。 - **大涡模拟（LES）湍流模型**：这种模型能够有效捕捉到流动中的大尺度结构，对于模拟复杂的湍流流动特别有用。 - **PISO算法**：这是一种求解Navier-Stokes方程的常用算法，可以高效地处理不可压缩流体问题。 - **体积分数法（VOF）**：这种方法被用来追踪界面的变化，特别是对于气泡与液体的界面特别有效。 #### 研究内容 - **超空泡的形成过程**：通过数值模拟获得了超空泡从射弹头部初生到完全包裹弹身的过程。 - **不同攻角下的超空泡形态**：研究了不同攻角对超空泡形态特性的影响规律，并给出了射弹表面空泡厚度分布曲线。 - **尾翼对超空泡的影响**：在零攻角条件下，分析了尾翼对超空泡形态的影响。 - **不同空化数条件下的超空泡特征**：计算了不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度，并与实验数据进行了对比，验证了模型的有效性。 #### 关键发现 1. **超空泡形成机制**：通过对射弹周围流场的模拟，揭示了超空泡如何从射弹头部开始生长直至完全覆盖整个射弹表面的过程。这有助于深入理解超空泡在水下环境中的行为。 2. **攻角对超空泡的影响**：通过改变射弹的攻角，观察到了超空泡形态随攻角变化而变化的现象。这一发现对于设计更高效的水下射弹具有重要意义。 3. **尾翼的作用**：研究显示，在零攻角条件下，尾翼的存在显著影响了超空泡的形态，尤其是在提高射弹稳定性方面表现出了积极的作用。 4. **空化数的影响**：不同的空化数条件下，超空泡的无量纲长度和厚度会发生变化。这一结果通过与实验数据的比较得到了验证，表明了所用数值模型的有效性和准确性。 #### 结论 本研究通过一系列复杂的数值模拟技术，成功地探究了带尾翼水下自然超空泡射弹的流动特性及其受不同参数影响的变化规律。这些发现不仅为理论研究提供了重要的参考，也为实际应用（如水下武器的设计与优化）提供了有价值的指导。未来的研究还可以进一步探索更多复杂的工况和条件，以便更好地理解和控制超空泡现象。