高速射弹入水时空气携带量的数值模拟

为１ ２ ． ０的 圆柱体 为射 弹模 型， 分别计算 了平 头、 圆头和尖头 圆柱体射弹 以 １ ０ ０ ． ０ ｍ／ ｓ 速度入水 的超 空泡流场 。将入 水超 空泡形状的模 拟计算结果 ， 与Ｌ ｏ ｇ ｖ ｉ ｎ ｏ ｖ ｉ ｃ ｈ半 经验公式 的计 算结果进 行对 比发 现 ： 前半部 分的 空泡形状相 互吻
适用于水下超声速物体、 可压缩超空泡流动细节分
析 的物 理模 型和 数值 分析 方法 。曹 伟 等［ ６ ］ 通 过高 速 射 弹实 验研 究 了 自然 超 空 泡 的形 态 特 性 和 发 展 规 律， 证实 了 自然 超空 泡 的直 径 和 长 度都 随 空化 数 的 增 大而 呈指 数规 律减 小 。王海 斌等 ＿ ７ ］ 在水 洞 中开展
大学 激 波研 究 中心 进 行 了水 下超 空 泡 射 弹 实 验 ， 可 视 化观 察分 析 了球 体和 细长 体 以 １ ． ５ ～２ ． ０ ｋ ｍ／ ｓ的
了水下 航行 体通 气超 空泡 的实 验研究 ， 结果 表 明 ： 当
来 流速 度不 变时 ， 超 空 泡 的 长 度 随通 气 率 的 增加 而
合， 但后部 空泡形状尺 寸大于半经验公式的计算结果 ， 这可能是 因为入 水空泡会 夹带空 气进入 的缘故 。另外对 ３种
头型射 弹的超空泡的相 图作 了对 比分析 ， 研究发现 ： 尖头射弹产生 的超 空泡 中夹杂的空 气量 最 多， 而平头射 弹次之 ， 圆头射 弹最少 ； 圆头射 弹产生的超空泡 中夹杂的 空气体积 分数最 大 ， 而尖 头射 弹 次之 ， 平 头射弹 最小。针对 圆头 圆 柱体射 弹 ， 还计算 了 ５ ０ ０ ． Ｏ 、 ９ ０ ０ ． ０ ｍ／ ｓ 和 １ ５ ０ ０ ． ０ ｍ／ ｓ 入水速度 下的超 空泡流场 ， 并进行 了相关对比分析 。
浙江理工大学学报 （ 自然科学版） ， 第３ ７ 卷， 第３ 期， ２ ０ １ ７ 年 ５月
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｚ ｈ ￣ ｉ ａ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ — Ｔｅ ｃ ｈ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ）
Ｖｏ １ ． ３ ７ ，Ｎ ｏ ． ３，Ｍ ａ ｙ ２ ０ １ ７
Ｄ ＯＩ ． １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ — ３ ８ ５ １ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ５ ． ０ １ ６
高速 射 弹入 水 时 空气 携 带 量 的数 值 模 拟
朱棒棒 ， 施红辉 ， 侯 健 。 魏 平
应越 强 ； 空气域 压力 越大 ， 空 泡敞开 阶段 的空 泡处 半
径越 小 。施红 辉 等 ［ １ ， ９ － １ １ ］ 通 过对 高速 物 体 出 入 水 超
空泡 流 动 的大 量 实 验 ， 研 究 了水 平 人 水 、 竖 直 出入
速度 射 进 水 中 的情 况 。Ｋｌ ｏ ｍｆ ａ ｓ ｓ等 ［ ５ ］ 提 出 了一 种
（ １ ． 浙江理工大学机械 与 自动控制 学院， 杭州３ １ ０ ０ １ ８ ； ２ ．海 军工程 大学兵 器工程 系， 武汉 ４ ３ ０ ０ ３ ３ ） 摘 要： 使用Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ １ ４ ． ０软件 并选择 ＶＯＦ多相流模型 ， 模拟 了高速射 弹入 水过程 。以直径 为 ６ ． ０ ｒ ｎ ｌ ｎ 、 长径 比
均质 多相 流模 型对锥 头 圆柱体 高速 入水 过程 进行 了
数值模 拟 ， 对不 同 空气 域 压 力 条 件入 水 过 程 的分 析
结果表明： 空气 域压 力对 自由液 面 上方 的喷溅 形 态 、 空泡 内部 空 化 效 应 以及 空 泡 表 面 闭 合 时 间影 响 较
大； 空 泡发 生表 面 闭合 的时 间越 早 ， 空泡 内部 空化 效
收 稿 日期 ；２ ０ １ ６ —０ ９ —１ ９ 网 络 出 版 日期 ： ２ ０ １ ７ －０ １ —０ ３
水、 倾 斜入 水 以及不 同长 径 比和 头 型 的弹 体 的入 水
等情 况 。
目前 ， 关 于 射 弹 入水 时 超 空泡 内空气 携 带 量 的 定量研 究 不足 ， 因 为这 涉 及 到 如何 建 立 空 泡 内的 气 体状态 方 程［ １ 引， 而关 于射 弹头 型 和入 水 速度 对 空 气
关键 词 ： 超 空泡； 射弹 ； 入水； 夹杂 空 气量 ； 空气体积分数 ； 数 值 模 拟
中图分类号 ： ０ ３ ５ ２ ； ０ ３ ５ ９
文献标志码 ： Ａ
文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ３ ８ ５ １（ ２ ０ １ ７ ）０ ３ — ０ ４ ０ ２ — ０ ７
０ 引 言
当水下航行体高速运动时 ， 其周围压力会急剧 降低 ， 当压力低于水的饱和蒸气压时， 液态的水就会 汽化形成水蒸气 ， 然后包裹整个航行体 ， 这种现象称 为超 空 泡现象 ［ １ ］ 。这样 会 大幅度 地 降低航 行 体 的阻
力， 使 航 行体 在水 下 高速 运动 成为 可能 。 Ｓ ａ ｖ ｃ ｈ ｅ ｎ ｋ ｏ等 Ｉ ２ ］ 研究 了人 工 通气 空 泡 和超 空 泡 闭合 的特 征 ， 对 超 空 泡 的 发 展 作 了 分 析 。Ａｒ ｉ ｓ ｔ ｏ ｛ ｆ 等［ ３ ］ 通 过 对 疏水 小 球 的研 究 ， 揭示 了空 泡 形状 与无 量纲 参 数之 间 的关 系 。Ｙａ ｍａ ｓ ｈ ｉ ｔ ａ等 ｌ ＿ ４ ］ 在 日本 东 北
增加 ， 阻力 系数 随空泡 长 度 的增 加先 递增后 递 减 ； 空
化 器直 径对 阻力 系 数 有较 大 的影 响 ， 在 弗 劳 德 数较 大 的条 件 下 ， 因空化 器 直 径 过 大 而 出现 阻 力 系 数 随 通气量 的增 加 而 变 大 的趋 势 。陈晨 等［ ８ ］ 采 用 ＶＯＦ