文摘

supercavitating流场的数值模型建立了基于多相模型,空化模型和湍流模型。超空泡流的模型被用来模拟supercavitating车辆与两种类型的控制面:弓舵和尾舵。的影响这两个控制面supercavity形状和舵有效性比较下不同的舵角(他一直°),和有效性的影响supercavities弓舵和船尾舵根据数值研究结果进行了探讨。从研究结果,可以得出以下结论:(1)弓舵舵有效性和可用的舵角,稳定和弓船舵supercavities的形状也有重大影响。(2)与弓舵相比之下,尾舵的效果是很难预测准确,停滞的现象会发生当尾舵的舵角超过6°;然而,几乎没有影响,斯特恩supercavities船舵。(3)船首和船尾舵联合控制方式必须采取影响supercavities形状和控制力的准确性的预测同时考虑。超高速的研究有助于优化车辆和控制方式的设计。

1。介绍

借助一个强大的推进器,超高速水下航行器可以实现超高的速度超过200 kn在水下1),因为它依赖于独特的水动力布局模式实现大量减少车辆的阻力supercavity包装大部分的身体。然而,由于超空泡的存在,水动力特性和响应特性控制系统显示的超高速汽车非常不同于那些传统的水下航行器。因此,水动力的优化布局和导航控制方式研究的焦点和难度,也是目前的研究热点2,3]。supercavitating车辆主要采用船尾舵控制模式,船头舵控制模式,和船首和船尾的联合控制方式控制模式中,舵和精确的预测效果和supercavity形状的关键是研究超空泡的导航控制技术(3,4]。

超空泡车辆获得更大的控制权通过增加舵叶的润湿面积,从而改变舵效应特征和空泡形状由于舵叶之间的交互和空化。忽略supercavity的变形和代表舵效应的润湿面积理论舵叶,王et al。5)使用一个楔形的尾舵控制表面,研究了动态建模和控制问题。李等人。6)提出了一个水动力布局模式使用弓舵控制的强有力的策略控制技术和研究supercavitating车辆通过弹道仿真,但这项研究没有考虑身体的湿路滑胎的效果,因为主体空化变形引起的弓舵。Dzieiski和Kurdila7)提出了一种叶片楔形舵水动力预报方法加上空化和研究supercavitating车辆控制技术的方法。Kuklinski [8)用实验方法来研究空泡的形成和发展盘cavitator,锥形cavitator,星型cavitator和锥形cavitator弓舵也进行定量分析的多个超空泡形态的影响。

根据公开发表的文件,超高速飞行器的控制力量主要来自弓舵的流体动力或船尾舵。导航控制主要是基于空化理论来估计舵效应根据湿地区。准确预测supercavitating控制力的车是非常重要的水动力布局和导航控制的优化研究。我们所知,没有报告的研究超空泡之间的交互和舵。弓舵和尾舵造成的变形主体空化、空泡形状的变化也影响着舵效率。本文数值模拟是用来研究船首和船尾舵的舵效应对超空泡形状的影响和相应的主体。舵效应的预测方法和超空泡的空泡形状车辆提出了演示船首和船尾舵,和控制方式的利弊进行了讨论。本文的研究成果可以为优化提供参考的超空泡水动力布局和导航控制技术的研究。

2。数值模型和经验公式

研究超空泡流、低速变化的模型试验有很多局限性,与高速空泡试验过程难以控制,结果难以观察。大量的验证试验表明,该数值方法模拟超空泡流具有良好性能(9,10]。基于数值方法和啮合策略介绍了文学、数值模型建立了超高速飞行器与弓舵和尾舵控制模式,分别和方向舵控制表面的效果及其对超空泡形态的影响也进行了研究。

2.1。问题的描述

弓和尾舵的控制力量来源于舵的流体动力叶片supercavitating车辆,和舵桨叶的穿刺将不可避免地影响到附近,然后空泡形状。舵叶附近的空化变形会改变舵叶的润湿面积,进而改变舵的效果。

根据控制表面的位置,supercavitating车辆主要采用三种控制模式:船头舵模式,船尾舵模式,船首和船尾舵的共同控制模式。船尾舵模式依赖皮尔斯的舵叶空化产生控制力,很难准确地预测舵效应;船头舵模式使用舵桨叶安装在cavitator控制导航,和舵的效果是稳定的,和工作距离很大,它有一个更大的对主体的影响空化;船首和船尾舵的共同控制模式是一种新型的水动力布局模式、舵片小一号,相结合的特点,船头和船尾舵舵模式模式。

摘要supercavitating车辆不同水动力数值模型建立了布局模式,船头舵的舵效率和尾舵和对超空泡形态的影响进行了研究,分别。船首和船尾舵采用典型的“交叉”的布局模式。安装尾舵的圆柱段的车辆,和弓舵在锥形cavitator安排。船头和船尾舵的布局图所示1。

弓舵和尾舵使用24°楔形舵桨叶。舵叶和尾舵模型的维度指supercavitating水下航行器,采用尾舵控制模式。盘的直径cavitator 24毫米,弦长是20.18毫米,传播长度是44毫米。根据阻力近似相等的原则,气蚀和尾舵维度的弓和舵控制模式的设计,它使用一个90°锥形空化与底部直径84毫米,弓舵弦长13.6毫米,和一个弓舵26.1毫米的最大伸长,舵面积是301毫米²。考虑到实际的尾舵的舵效应与空化穿刺的高速,舵叶的有效面积小,作用距离的尾舵的舵力长,所以弓舵的面积只有20%的尾舵的面积。

2.2。控制方程

所涉及的控制方程的数值模拟超空泡流包括气液两相的连续性方程、动量方程,湍流方程。根据文献[11),本文的研究内容属于均匀流问题,可以使用和混合多相流模型。空化问题可以被认为是所描述的阶段之间的传质Schnerr和萨奥尔模型。湍流模拟采用可实现的 - - - - - - 湍流模型,这是健壮的,适合解决复杂的流动问题。湍流模拟的壁面处理方法可以使用扩展墙功能。

2.3。模型处理和啮合

本文主要研究舵的水动力特征叶片超空泡的条件下,当舵桨叶的存在。为了简化计算过程,船头舵模型建立了几何模型的锥形空化和楔形舵桨叶,不考虑后面的飞机。船尾舵模型需要考虑空化的尾舵的穿刺;因此,一个完整的几何模型建立了supercavitating车辆,包括圆盘cavitator,头锥部分,圆柱段,尾舵,尾喷管。的基础上弓舵和尾舵模型,舵叶片中,模型没有附件。通过比较数值模拟结果有或没有舵桨叶,弓的影响舵和尾舵空泡形状进行了研究,分别。

supercavitating流的数值模拟涉及到相变和两相界面的捕获,一个合理的选择计算域的尺度建模过程中可以减少边界条件对计算结果的影响。计算域的直径是35倍的最大横截面直径的理论腔。入口之间的距离的计算域和cavitator 1 *理论的完整空化,和出口之间的距离的计算域和cavitator 2倍的完整长度的理论空化。

根据建立的几何模型船首和船尾舵,策略的软件是用来划分结构化网格,和边界层附近墙上添加,和墙附近的网格优化的精确模拟湍流基于湍流模型的要求 。后周围舵背后的舵叶片和叶片分为足够细网格精确捕获空化气泡。网格独立进行测试以确保空泡形状的数值模拟结果和流体动力学的影响网格分布。

根据上述模型简化方法和网格划分原则,舵角的几何模型建立了0°~ 12°,每隔1°和网格划分,分别弓舵和尾舵。弓舵模型的网格元素的数量是180万,而尾舵模型中网格单元的数目是220万。独立的模型参考弓舵和尾舵模型相对简单,网格大小的090万年和120万年,分别。以0°工况为例,船头的网格分布舵舵桨叶附近和尾舵模型图所示2(一个)和2 (b),分别。

2.4。边界条件设置

计算域采用速度入口与自由流速度100米/秒。计算域采用压力出口的绝对压力118540 Pa。自然空化模型是用来模拟超空泡的生成和发展空化压力为3540。计算域被滑动墙,忽略剪切削弱墙上的流场的影响。

3所示。船头和船尾舵模型的数值模拟研究

根据既定的弓舵和尾舵模型,进行了数值模拟研究,分别和舵的水动力特征叶片和舵桨叶在空泡形状的影响。

3.1。弓舵的布局模式

根据数值结果0 ~ 12°舵角,船头舵的水动力特征,和弓舵的舵效应特征。与模型不包括弓舵相比,船头舵对主要supercavity形状的影响,通过分析supercavity的变形。

3.1.1。弓舵对超空泡形态的影响

船头舵的固有形状变化cavitator旋转身体,导致超空泡的形状的变化。文献[12]指出,在supercavitating车辆的运动,身体不可避免地会出现滑水,受到更大的“水漂”,所以空泡形状的变化最终会影响车辆的运动特性。为了研究超空泡的弓舵的影响,根据弓舵模型的数值模拟结果,supercavity形状特征是iso-surface 50%的气体体积分数。

考虑到弓舵和舵角将对超空泡的形态产生重大影响,为了突出本研究的重点,只有0°舵角条件为例来分析弓舵在超空泡形态的影响。超空泡的形状,当弓舵角为0°,如图3。整体的空泡形态如图3(一个),最初的空泡形态如图3 (b)。数值模拟结果如图3类似supercavity形态特征得到星形的空化水洞试验的文献中(8]。

图3(一个)显示生成的supercavity弓舵模型ellipsoid-like总的来说,和最大横截面直径的泡沫是在中间位置。船头舵空化有很大的影响之前的主腔的一部分。图3 (b)表明四尾蛀牙弓退出的舵,大大改变了形态的前段supercavity。的发展主要的空腔,尾巴与主腔腔逐渐合并。

船头舵模型采用“cross-rudder”布局模式,使空化的横截面的舵叶不同于其他部分。根据数值模拟结果,空化轴截面轮廓线提取,并通过空化轮廓线的轴向部分舵叶和两个舵桨叶之间的轴向截面,分别提取的弓舵模型。垂直部分(部分两个部分1)和45°斜剖面(部分2),这反映在轴向视图的弓舵模型图1。比较不同的横截面轮廓线的超空泡弓舵模型和空化没有弓舵模型的纵向剖面如图4。

图4表明,在相同流量条件下,生成的超空泡的几何尺寸弓舵模型比单一空化模型,生成的超空泡的轴向长度是大7.7%。空化的部分1影响弓舵,空化气泡的对称性遭到破坏,和部分最大的径向尺寸向后移动。径向截面尺寸2大于部分的吗1的概要文件,空化仍然是椭圆。随着空化的发展,区域之间的区别1和部分2逐渐减少。

为了研究弓舵空化发展的影响过程,根据数值模拟结果,在不同的轴向截面位置的空化轮廓的距离0.1 Lm, 0.3 l m, 0.5 Lm和0.7 Lm的空化提取和比较。空化的比较等高线对应不同的轴向位置如图5。

图5表明,船头舵对超空泡的形状有明显的影响,会改变最初的环形腔的横截面。舵叶的变化的位置空化严重,和空化萧条造成的弓舵中间部分后消失。

3.1.2。船头舵的水动力特征

弓的湿润舵不受主体的超空泡的影响;因此,舵效应在转向过程中是稳定的,和控制力量只有舵角有关。船头舵的水动力力量包括阻力随着来流方向相同和电梯垂直于来流。为了方便分析,无量纲弓舵的流体动力学,和参考量来流速度,水的密度,润湿面积的舵桨叶(舵桨叶的润湿面积的面积定义为纵向湿的部分)。nondimensionalization后弓舵的水动力特性图所示6。

图6表明,升力系数的弓舵和舵角呈正相关。线性良好的范围0 ~ 10°,它是非线性的10 ~ 12°和电梯导数逐渐减少。舵角的增加,阻力系数的弓舵几乎是0 ~ 5°的范围内保持不变,而且在6 ~ 12°的范围显著增加。12°舵角的阻力系数约为80%高于0°舵角。船头舵达到2.4的最大升阻比10°舵角。

3.2。尾舵的布局模式

根据尾舵模型的数值模拟结果与0 ~ 12°的舵角,船尾舵的水动力特性计算得到船尾舵的舵效应特征。与模型不包括尾舵相比,船尾舵对主要supercavity形状的影响,通过分析supercavity的变形。

3.2.1之上。尾舵对超空泡形态的影响

根据数值模拟结果,超空泡的尾舵模型和独立的车辆模型相比,和船尾舵对主体超空泡的影响进行了分析。船尾舵位于尾部的圆柱段超空泡,和主体空化的尾巴的形状主要取决于实际车辆发动机喷嘴的排水。因此,主要关心的是尾舵的影响在其之前的超空泡形态。主要的空化比较船尾舵模型和独立的模型图所示7(一)。通过比较获得的超空泡轮廓线没有严厉的尾舵和舵图所示7 (b)。

图7(一)表明,船尾舵模型和独立的车辆模型有相同的超空泡的形状和大小。图7 (b)显示了超空泡轮廓线从船尾舵模型有或没有尾舵模型舵叶前几乎一致,这表明船尾舵不影响超空泡的形状在舵的前面。

船尾舵穿刺主体空化和舵的高压区域表面导致舵叶附近的空化影响,使得实际的尾舵的湿条件显著变化。研究影响附近的空泡形状的尾舵舵叶有助于预测舵叶的有效润湿面积,然后准确地预测舵的效果。之间的比较数值模拟结果和实验结果的supercavity变形主体造成的尾舵图所示8(一个)。十字路口的空化与斯特恩平舵和尾舵如图8 (b)。图8(一个)是一个低速通风supercavity水洞试验的结果。它不同于条件和数值模拟表明,船尾舵会导致空化的主体。

如图8(一个),数值模拟和水隧道试验结果表明,舵叶空化将导致supercavity变形。图8 (b)表明,当飞机的迎角和尾舵的舵角都是0°,实际的湿尾舵的面积是800毫米²,这是246毫米²大于理论湿地区。因此,船尾舵的舵效率的预测应考虑supercavity变形。舵的效率有很大的区别的基础上,理论空泡形状和实际情况。

3.2.2。船头舵的水动力特征

船尾舵的舵效应直接相关的润湿面积舵叶,控制力是不仅舵角有关,还受到实际的舵叶的湿条件。根据数值模拟结果,尾舵的流体动力收到数,和尾舵的舵效应条件下的空化穿刺进行了研究。尾舵水动力特性的分析方法和无量纲过程称为弓舵模型也进行了研究。尾舵的水动力特性曲线如图9。

图9显示了船尾舵升力特性显示超空泡刺破时两个不同的阶段。升力系数在0 ~ 6°具有良好的线性度对舵角,升力系数的舵叶舵角的突然减少7°,甚至出现停滞。升力系数仍积极与舵角7 ~ 12°的范围之内,但这只是相当于电梯水平舵角的5 ~ 6°。尾舵的阻力系数在0 ~ 5°舵角不会改变太多,可以大大提高,增加舵角的5 - 12°的范围。舵角12°的阻力系数增加60%相对于5°。

4所示。讨论

数据3- - - - - -5显示了超空泡的生成和发展弓舵模型,表明弓舵对超空泡形态有很大的影响。泡沫的横断面不再是圆形,和泡沫影响的对称性。数据7和8显示超空泡的生成和发展在船尾舵模型中,表明船尾舵主汽蚀和几乎没有影响的形状和大小不影响空化前的舵,但只有使当地附近的supercavity抑郁舵叶。

数据6和9显示的水动力特征船首和船尾舵叶舵模型,分别。弓舵继续增加的升力系数的增加舵角的范围一直°。升力系数的尾舵舵角的增加而增加的范围0 - 6°。叶片的升力系数降舵角时突然7°。虽然升力系数的范围7 - 12°和舵角呈正相关,价值只相当于电梯水平5 - 6°。弓舵的最大升力系数为0.41,而尾舵只有0.19。以舵叶的有效润湿面积为参考价值,电梯的导数船头船尾舵的舵大于。此外,考虑到距离传统的超空泡的空化车辆重心的两倍的距离尾舵的重心,因此,船头舵控制方式具有更好的可操作性。

总之,船头舵模型具有良好的水动力特性,稳定的舵效率,大可用的舵角。因此,相同大小的船头舵可以提供更大的力和转矩控制的飞机,但它有一个更大的对空泡形态的影响,这将影响船体的湿路滑胎的预测精度。船尾舵模型的影响之前的超空泡形状的舵叶是微不足道的,但它的有效润湿长度是影响车辆之间的相对位置和超空泡。此外,附近的空化舵叶也显著影响舵叶的有效润湿面积,这让船尾舵的水动力预报的困难。

基于上述分析,supercavitating汽车的优点和缺点船头和船尾舵控制方式是互补的。减少弓的伸长舵合理削弱其multicavitation形态的影响,并减少的弦长尾舵可以削弱舵上的主要空化效应的影响。因此,大宽高比弓舵和小宽高比船尾舵是用来实现联合控制超空泡的车辆,可以同时考虑超空泡形状和控制力。

5。结论

本文建立数值模型在船头supercavitating车辆和舵控制模式,数值模拟是进行0 ~ 12°舵角。根据数值模拟结果,超空泡形态的影响规律及其船头和船尾舵的水动力特性进行了研究。可以得出以下结论:(1)在船头舵控制模式下,舵桨叶具有良好的水动力特性,稳定舵效应,和大舵角,可以提供更大的力和转矩控制。船头舵supercavity形态影响较大,之前的横断面腔中部发生了显著变化(2)在船尾舵控制模式下,舵叶几乎没有影响空化形成前的舵。湿舵叶的长度是由飞机和空化之间的相对位置关系,和实际舵效应与飞机的态度和超空泡形态。船尾舵的控制力量很难预测准确(3)弓舵控制方式的优缺点和尾舵控制方式是互补的。使用小的长宽比弓舵和一个大宽高比船尾舵实现联合控制的飞机可以同时考虑到超空泡形状和控制力

本文的研究可以提供一个参考的优化的水动力布局supercavitating车辆和控制模型的设计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。