陳勇,張合,馬少杰,沈德璋

(1.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210094; 2.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽(yáng) 621900）

小攻角下的水中引信前置渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)特性和空化研究

陳勇1,張合1,馬少杰1,沈德璋2

(1.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210094; 2.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽(yáng) 621900）

為了獲得小攻角下水中引信前置渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)特性,理論分析了小攻角下渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況,并建立了仿真模型和試驗(yàn)方案。以此為基礎(chǔ),針對(duì)0°攻角和5°攻角,獲取了0～35 m/s來(lái)流速度下的渦輪轉(zhuǎn)速。在10 m/s來(lái)流速度下,針對(duì)無(wú)空化以及空化數(shù)為0.2～1.0的情況,利用仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析了0°攻角和5°攻角下相應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)和空化特性。研究結(jié)果表明,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,較好地預(yù)測(cè)了渦輪的特性。與0°攻角情況下相比,在較低來(lái)流速度(小于20 m/s)下,5°攻角情況下的渦輪轉(zhuǎn)速偏大,高速下反之;在發(fā)生空化時(shí),5°攻角情況下的渦輪失去了原有轉(zhuǎn)速信號(hào)的周期性變化,并在更低的空化數(shù)下停轉(zhuǎn)。

兵器科學(xué)與技術(shù);引信渦輪;水洞試驗(yàn);流場(chǎng)仿真;小攻角;空化

0 引言

水下火箭彈是一種在水下發(fā)射,攻擊水下目標(biāo)的新型常規(guī)武器。其引信設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于水下環(huán)境敏感探測(cè)。在引信頭部安裝渦輪,通過(guò)測(cè)量渦輪轉(zhuǎn)速可間接獲得彈體的自身速度[1]。彈體飛行過(guò)程中,彈軸與飛行方向常會(huì)產(chǎn)生一定的攻角。研究在小攻角下的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)特性和空化情況,可以分析并提高利用渦輪進(jìn)行彈體速度或位移測(cè)量的精度。

利用渦輪作為測(cè)量方案,常見(jiàn)于渦輪流量計(jì)[2]。空中常規(guī)武器也有利用渦輪進(jìn)行測(cè)量甚至發(fā)電[3]。大多數(shù)針對(duì)渦輪流動(dòng)特性的研究基本針對(duì)于無(wú)攻角和無(wú)空化情況下,周?chē)鲌?chǎng)較為簡(jiǎn)單。針對(duì)渦輪空化情況的復(fù)雜流場(chǎng),Chen等[4]針對(duì)渦輪流量計(jì)的空化特性進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到了儀表系數(shù)與空化數(shù)的關(guān)系;Kumar等[5]針對(duì)目前渦輪動(dòng)力裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,重點(diǎn)分析了空化對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的影響。對(duì)于水中彈體有攻角的空化流場(chǎng),陳瑛等[6]進(jìn)行了數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究,得到了圓頭彈體頭部超空化下的流場(chǎng)特性;黃海龍等[7]對(duì)圓盤(pán)空化器在不同攻角下的空泡形態(tài)進(jìn)行了仿真研究,得到了不同攻角下的超空化特點(diǎn)。

水中引信渦輪作為測(cè)量水下火箭彈自身速度的一種方式,主要關(guān)心其在不同情況下的轉(zhuǎn)動(dòng)特性。本文利用理論分析和數(shù)值仿真方法對(duì)攻角情況下的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)情況和空化特性進(jìn)行了研究,并將部分結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,從而為提高水中彈藥引信渦輪環(huán)境敏感機(jī)構(gòu)的測(cè)量精度提供依據(jù)。

1 數(shù)值仿真方法

1.1 水中引信渦輪概述

如圖1所示,渦輪安裝在彈體頭部。渦輪葉片下端和后端處于頭部分離區(qū),該位置在高速時(shí)將發(fā)生空化。從圖中可以看出該火箭彈及其頭部渦輪的外形。其尺寸參數(shù)如表1所示,其中N為葉片數(shù),γt為葉頂傾角,Ld為導(dǎo)程。渦輪參數(shù)的選擇基于彈體本身的外形和尺寸,對(duì)彈道影響較小。

圖1 渦輪參數(shù)示意圖Fig.1 The turbine parameters

表1 參數(shù)及取值Tab.1 Parameters and values

水下火箭彈在水下高速運(yùn)動(dòng)時(shí),其前置渦輪與彈體通過(guò)軸承連接,受到水流的驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。渦輪上鑲有小型磁體,通過(guò)霍爾器件探測(cè)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)變化來(lái)獲得渦輪轉(zhuǎn)速。渦輪轉(zhuǎn)速與相對(duì)水流速度相關(guān),對(duì)以較高速度運(yùn)動(dòng)的彈體而言,由于運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于水的自然流動(dòng),根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速即可獲得運(yùn)動(dòng)體的速度。渦輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在驅(qū)動(dòng)力矩、粘性阻力矩、摩擦阻力矩等,使得渦輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜。

彈丸飛行過(guò)程中,彈軸與飛行方向常會(huì)產(chǎn)生一定的偏差角度,此時(shí)流體相對(duì)渦輪并非垂直入射,而是存在一定的攻角。該攻角的存在會(huì)導(dǎo)致彈速與渦輪轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生一定的變化。有攻角情況下,流體入射方向的改變對(duì)各種力矩都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文中的小攻角指彈丸攻角須小于渦輪葉片的安裝角,以5°為例進(jìn)行研究。

1.2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格化分

采用三維數(shù)值仿真方法來(lái)模擬渦輪旋轉(zhuǎn)。通過(guò)求流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解來(lái)觀察不同空化數(shù)下渦輪的空化特性。由于本文涉及的是外部繞流問(wèn)題,為保證計(jì)算結(jié)果精度,將渦輪直徑Dt作為特征尺寸,取整個(gè)計(jì)算流場(chǎng)長(zhǎng)度L=30Dt,直徑Df=20Dt.整個(gè)流場(chǎng)主要可分為如圖2中4個(gè)區(qū)域,a、d為渦輪前后區(qū),b、c為渦輪區(qū),其中b為旋轉(zhuǎn)區(qū)域。以整個(gè)區(qū)域的中心點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖2所示為有渦輪5°攻角的情況,為了進(jìn)行對(duì)比,另外設(shè)置了無(wú)渦輪0°攻角、無(wú)渦輪5°攻角、有渦輪0°攻角3組計(jì)算區(qū)域。3組對(duì)比區(qū)域均將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在引信頭部中心。

圖2 全流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域Fig.2 Flow field computational domain

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以保證較高的網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格劃分使用ICEM的O型網(wǎng)格劃分方法,以渦輪輪轂為中心,向外進(jìn)行兩級(jí)O型網(wǎng)格劃分。本文對(duì)幾何模型全部按結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格劃分,以保證計(jì)算精度。為控制計(jì)算量,在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)須控制網(wǎng)格總數(shù)。經(jīng)大量調(diào)整,對(duì)渦輪區(qū)域部分和邊界層網(wǎng)格加密,完成網(wǎng)格劃分。完成后的渦輪表面網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 渦輪表面邊界網(wǎng)格劃分Fig.3 The turbine surface boundary meshing

1.3 模型選擇和求解

兩相流動(dòng)的模擬采用Mixture多相流模型,空化采用Schnerr and Sauer模型。湍流模型采用Realizable K-ε模型,近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壓力-速度耦合方程求解算法采用半隱式連接壓力方程方法。單元中心的變量梯度基于單元體的最小二乘法插值。壓力插值算法采用PRESTO!格式,該格式主要用于高旋流、壓力急劇變化流或劇烈彎曲的區(qū)域。對(duì)流項(xiàng)的插值采用QUICK格式。此格式適用于四邊形/六面體以及混合網(wǎng)格,對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)有用,在均勻網(wǎng)格上能達(dá)到3階精度。模型的求解在FLUENT求解器中進(jìn)行。

渦輪轉(zhuǎn)速邊界由以下方法確定:1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置轉(zhuǎn)速初值ω0,進(jìn)行三維數(shù)值仿真;2)根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算驅(qū)動(dòng)力矩及各阻力矩之和,并確定下一次計(jì)算的轉(zhuǎn)速值ω1;3)重復(fù)上述步驟1和2,直至上式達(dá)到平衡,渦輪葉片力矩之和小于ε,此處取ε=10-5.

2 水洞試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在一閉式空化水洞進(jìn)行。將原理樣機(jī)通過(guò)支桿安裝在水洞中,如圖4所示。該水洞試驗(yàn)段截面0.6 m×0.6 m,試驗(yàn)段長(zhǎng)度為2.5 m.最大水流速度為12 m/s,空化數(shù)最低可達(dá)0.2,試驗(yàn)段湍流度1.4%和相對(duì)含氣量在0.39～0.41范圍。洞體全部采用不銹鋼材料配有減壓箱和除氣裝置,具有良好的可控性。試驗(yàn)段安裝有8塊可拆卸的有機(jī)玻璃觀察窗。樣機(jī)中,渦輪尾部輪轂鑲嵌有小磁體,由霍爾器件感應(yīng)得到的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)線從尾部支桿中穿出。

圖4 水洞試驗(yàn)裝置原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of water tunnel experimental device

試驗(yàn)受設(shè)備與測(cè)試手段限制,目前國(guó)內(nèi)高速空化水洞的實(shí)際工作流速范圍一般在12 m/s范圍以內(nèi)。為了研究高速下的渦輪空化情況,利用減壓產(chǎn)生空化,利用空化數(shù)相似,模擬高速下產(chǎn)生空化的情況。

一般空化數(shù)定義為

式中:p∞和v∞為流場(chǎng)中選定點(diǎn)的絕對(duì)壓力和流速; pv為一定溫度下的液體飽和蒸汽壓;ρ為液體密度。

該水洞試驗(yàn)方案的基本原理為:將試驗(yàn)樣機(jī)裝

于水洞試驗(yàn)段,通過(guò)尾支撐桿的中心孔將導(dǎo)線引出。試驗(yàn)時(shí),啟動(dòng)循環(huán)水洞的電機(jī)驅(qū)動(dòng)水流在水洞中運(yùn)動(dòng),通過(guò)水洞的相關(guān)儀器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段入口壓力及水流速度,同時(shí)通過(guò)外部輔助設(shè)備實(shí)時(shí)讀取并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。光源透過(guò)上下玻璃窗照亮位于工作段的渦輪裝置,攝錄設(shè)備記錄渦輪周?chē)栈螒B(tài)。

3 轉(zhuǎn)動(dòng)特性和空化分析

3.1 理論分析

在有攻角情況下,由于單一葉片在一周的不同位置時(shí),其入射流體的絕對(duì)入射角、速度分布及邊界層厚度均不同,故所受的驅(qū)動(dòng)力矩、粘性阻力矩等也有所差別,使得渦輪在有攻角下的轉(zhuǎn)動(dòng)特性非常復(fù)雜。下面簡(jiǎn)單分析單一葉片在一周內(nèi)相關(guān)量的變化。

圖5為未安裝渦輪情況下,距離頭部0.01 mm處垂直于彈體軸線方向截面內(nèi)軸向速度云圖和流線。從圖中可以看出:無(wú)攻角情況下邊界層厚度和周?chē)飨蚓鶆?而有攻角情況下沿彈體一周的邊界層厚度和周?chē)鲌?chǎng)是非均勻的。

設(shè)攻角為α,流體相對(duì)靜止葉片的入射角在一周內(nèi)均不同,該入射角相對(duì)渦輪葉片的變化,在計(jì)算中采用當(dāng)量安裝角βθ來(lái)近似表示。葉片一周范圍內(nèi),在與零點(diǎn)位置(取迎流面底端最低點(diǎn))夾角為θ時(shí),

邊界層之外,平行輪轂的速度為一周內(nèi)的當(dāng)量安裝角βθ,輪轂范圍內(nèi)邊界層平均厚度

δ和邊界層外平行輪轂表面的速度vzθ變化及對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中關(guān)于驅(qū)動(dòng)力矩的分析,可以得到葉片一周范圍內(nèi),在與零點(diǎn)位置夾角為θ時(shí),其驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算公式為式中:CLθ和CDθ分別為相應(yīng)位置下葉片的升力、阻力系數(shù)[9]。

此時(shí)葉片的總驅(qū)動(dòng)力矩為

圖5 引信頭部周?chē)吔鐚雍土骶€分布Fig.5 The boundary layer and the streamline distribution around fuze head

圖6 一周內(nèi)相關(guān)量變化及對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 The change of related quantities and the corresponding relationship between them in a cycle period

根據(jù)該式可得到小攻角情況下葉片驅(qū)動(dòng)力矩的近似解,其余渦輪所受力矩可參考文獻(xiàn)[8].其中渦輪啟動(dòng)需要克服靜摩擦力,即存在啟動(dòng)速度。通過(guò)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)理論與仿真結(jié)果結(jié)合,可以得到小攻角情況下一定速度對(duì)應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)速。

3.2 空化特性

圖7(a)和圖7(b)為利用高速快門(mén)(約0.1 ms)拍攝到的在相同來(lái)流速度和不同空化數(shù)下的渦輪空化形態(tài),圖7(a)為0°攻角情況,圖7(b)為5°攻角情況。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)發(fā)現(xiàn),在相同來(lái)流速度和空化數(shù)下,5°攻角情況的渦輪空化整體上更為嚴(yán)重。從圖7(b)中可以看出,5°攻角情況下,在每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi),每個(gè)葉片和葉片通道從下端弱分離區(qū)到上端強(qiáng)分離區(qū),其附著和附近空化區(qū)經(jīng)歷了生長(zhǎng)-斷裂-脫落-再生長(zhǎng)的復(fù)雜過(guò)程。

在相同速度和空化數(shù)下,以氣相比例為50%的分界面作為空泡界面,對(duì)5°攻角情況進(jìn)行仿真,得到圖7(c)的仿真結(jié)果。對(duì)比圖7(b)和圖7(c)發(fā)現(xiàn),利用該仿真方法得到的空化仿真結(jié)果能反映出前端的固定空化區(qū)域,但無(wú)法反映后端的云狀空化區(qū)和空化區(qū)尾部的非定常脫落現(xiàn)象。這是由于采用RANS(雷諾平均法)湍流模型導(dǎo)致的[10]。除了湍流模型和空化模型外,對(duì)空化形態(tài)更為細(xì)致的仿真需要更為精細(xì)的網(wǎng)格和算法以及強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理能力。

圖7 頭部空化流的試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental and simulation results of head cavitation flow

表2 1 m水深壓力在不同流速下的渦輪轉(zhuǎn)速Tab.2 Turbine rotational speeds at different flow velocities in 1 m depth

3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)特性

按照上文提到的數(shù)值模擬方法計(jì)算了1 m水深條件,彈丸攻角為0°、5°情況下,不同來(lái)流速度下對(duì)應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)速,相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果也列入表中,為了方便對(duì)比,試驗(yàn)通過(guò)加壓保證1 m水深處的壓力值。通過(guò)更多不同壓力下的仿真結(jié)果比較,在壓力大于某一臨界空化數(shù)下的壓力(空化數(shù)約大于1.5),仿真結(jié)果變化很小(從理論推導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)力矩、粘性阻力矩關(guān)系式上也能看出,其與壓力沒(méi)有直接關(guān)系,而其余力矩如摩擦阻力矩的影響有限)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),5°攻角下渦輪的啟動(dòng)速度相比0°攻角下的5 m/s略低,為4.6 m/s.造成這一現(xiàn)象的其中一方面原因是由于5°攻角下渦輪頭部正壓力較低造成的,而正壓力與克服靜摩擦需要的驅(qū)動(dòng)力矩大小有關(guān)。另一方面,在該速度范圍下,5°攻角下的渦輪所有葉片所受的合驅(qū)動(dòng)力矩較0°攻角下大。

從表2中可以看出,在10 m/s速度以下,仿真和試驗(yàn)結(jié)果接近,誤差在10%以內(nèi)。一定的水流速度情況下,渦輪轉(zhuǎn)速受彈丸攻角的影響比較明顯。由仿真結(jié)果可以看出,在較低水流速度(約20 m/s)下,有攻角情況下較無(wú)攻角情況轉(zhuǎn)速偏大;而在較高水流速度下,轉(zhuǎn)速偏小。

按照上文提到的試驗(yàn)方案對(duì)10 m/s水流速度下,空化數(shù)為0.2～1.5范圍進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。為了對(duì)比,在相同的速度和空化數(shù)下進(jìn)行了仿真,通過(guò)調(diào)整仿真模型中的出口壓力來(lái)保證空化數(shù)相等。結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。轉(zhuǎn)速和空化數(shù)的關(guān)系在0°攻角和5°攻角下有著相同的變化趨勢(shì):隨著空化數(shù)的降低,到一臨界空化數(shù)(約為0.9),轉(zhuǎn)速是升高的;隨著空化數(shù)的繼續(xù)降低,更嚴(yán)重的空化開(kāi)始使得渦輪轉(zhuǎn)速下降,直到停轉(zhuǎn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):0°攻角時(shí)空化數(shù)為0.33時(shí)渦輪停轉(zhuǎn);5°攻角時(shí)空化數(shù)為0.25時(shí)渦輪停轉(zhuǎn)。這是由于在嚴(yán)重空化時(shí),有攻角情況下的迎流面位置的部分葉片空化相對(duì)較弱,還能受到水流沖擊的影響。而此時(shí)0°情況下的所有葉片都已經(jīng)完全受到空化的影響而停轉(zhuǎn)。同時(shí)從圖8中可以看出,在相同來(lái)流速度(10 m/s)下,同一空化數(shù)時(shí),5°攻角下渦輪轉(zhuǎn)速明顯大于0°攻角渦輪轉(zhuǎn)速,在空化數(shù)為0.9時(shí)差距最小,空化數(shù)為0.5、0.6時(shí)差距最大。

圖8 渦輪轉(zhuǎn)速和空化數(shù)的關(guān)系(來(lái)流速度10 m/s)Fig.8 The relationship between turbine rotation speed and cavitation number(flow velocity:10 m/s)

對(duì)測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行頻域分析發(fā)現(xiàn),在0°攻角情況,部分空化數(shù)下轉(zhuǎn)速信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明顯的周期性特征。但在5°攻角下未發(fā)現(xiàn)這種情況。圖9為空化數(shù)為0.7時(shí)5°攻角和0°攻角相應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)速頻譜圖,從中可以看出,0°攻角情況下對(duì)應(yīng)頻率為5.1 Hz信號(hào)最強(qiáng),但在5°攻角下無(wú)明顯峰值。產(chǎn)生這種情況的一個(gè)可能原因是,在有攻角情況下,渦輪空化情況更為復(fù)雜和無(wú)序,每個(gè)葉片通道和葉片上的和附近的空化區(qū)在每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)經(jīng)歷了從較強(qiáng)分離區(qū)到較弱分離區(qū)的相互轉(zhuǎn)化,改變了原有的空化產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅的周期性變化。

圖9 轉(zhuǎn)速信號(hào)幅頻特性(來(lái)流速度10 m/s,空化數(shù)0.7)Fig.9 The speed signal amplitude-frequency characteristics (flow velocity:10 m/s,cavitation number:0.7)

4 結(jié)論

本文對(duì)小攻角下的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行了理論分析,建立了仿真模型和試驗(yàn)方案。通過(guò)渦輪有無(wú)攻角情況的研究結(jié)果對(duì)比,得到了如下結(jié)論:

1)仿真結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)特性,仿真結(jié)果正確預(yù)測(cè)了渦輪的空化區(qū)域。

2)仿真結(jié)果顯示,在較低來(lái)流速度(小于20 m/s)時(shí),渦輪轉(zhuǎn)速在5°攻角情況下大于0°攻角,高速下反之。

3)與0°攻角情況下相比,在10 m/s來(lái)流速度下,5°攻角下渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)與空化數(shù)的關(guān)系變化趨勢(shì)基本相同,轉(zhuǎn)速增加明顯,在空化數(shù)為0.9時(shí)差距最小。

4)與0°攻角情況下相比,在10 m/s來(lái)流速度下,5°攻角時(shí)渦輪空化情況更為嚴(yán)重和復(fù)雜,轉(zhuǎn)速無(wú)明顯周期性變化特征。

References)

[1] Chan Y,Zhang H,et al.Independent velocity measurement of small underwater high-speed moving body based on external turbine[J].Applied Mechanics and Materials,2013(3):967-973.

[2] 李建軍.渦輪流量計(jì)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].火箭推進(jìn),2007,33(3):52-55.

LI Jian-jun.The application of turbo-flowmeter in the test of rocket engine[J].Journal of Rocket Propulsion,2007,33(3):52-55.(in Chinese)

[3] 徐長(zhǎng)江,張河.基于三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的引信用側(cè)進(jìn)氣渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(15): 144-149.

XU Chang-jiang,ZHANG He.Research on the design for turbine alternator with side intake ducts based on numerical calculation of 3-d flow-field[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(15):144-149.(in Chinese)

[4] Chen G,Liu S,Cao G.Unsteady cavitation simulation in transient process of turbine flow meter[J].Modern Physics Letters B, 2010,24(13):1503-1506.

[5] Kumar P,Saini R P.Study of cavitation in hydro turbines—a review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010, 14(1):374-383.

[6] 陳瑛,魯傳敬,郭建紅,等.大攻角水下航行體側(cè)面空化特性的數(shù)值分析[J].彈道學(xué)報(bào),2011,23(1):45-49.

CHEN Ying,LU Chuan-jing,GUO Jian-hong,et al.Numerical analysis on the characteristics of side cavitation around submerged vehicle with large attack angle[J].Journal of Ballistics,2011, 23(1):45-49.(in Chinese)

[7] 黃海龍,黃文虎,周峰.圓盤(pán)空化器超空泡形態(tài)三維數(shù)值模擬研究[J].兵工學(xué)報(bào),2008,29(1):78-84.

HUANG Hai-long,HUANG Wen-hu,ZHOU Feng.Numerical simulation on the shape of natural supercavitybased on full three dimensionaldisk-cavitator[J].ActaArmamentarii,2008, 29(1):78-84.(in Chinese)

[8] 沈德璋,張合,李豪杰.一種小型水下高速運(yùn)動(dòng)體的自主測(cè)速方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(12):2697-2702.

SHEN De-zhang,ZHANG He,LI Hao-jie.Autonomous velocity measurement method for small underwater high velocity moving body[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2012, 33(12):2697-2702.(in Chinese)

[9] 孫立軍.降低渦輪流量傳感器粘度變化敏感度的研究[D].天津:天津大學(xué),2004:20-28.

SUN Li-jun.Research on reducing turbine flowmeters sensitivity to viscosity change[D].Tianjin:Tianjin University,2004:20-28.(in Chinese)

[10]Fr?hlich J,von Terzi D.Hybrid LES/RANS methods for the simulation of turbulent flows[J].Progress in Aerospace Sciences, 2008,44(5):349-377.

Research on Rotation Characteristics and Cavitation of Underwater Turbine at Small Attack Angle

CHEN Yong1,ZHANG He1,MA Shao-jie1,SHEN De-zhang2
(1.Ministerial Key Laboratory of ZNDY,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China; 2.Institute of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,Sichuan,China)

The rotation of turbine at small attack angle is theoretically analyzed in order to obtain the rotation characteristics of a turbine in front of an underwater fuze at small attack angle,and the simulation models and an experimental program are created.On this basis,the turbine speed at flow velocity of 0 m/s～35 m/s is obtained at 0°and 5°attack angles.For the non-cavitation and the cavitation number from 0.2 to 1.0,the corresponding characteristics of the turbine rotation and cavitation at 10m/s are analyzed by comparing the simulation and experimental results at 0°and 5°attack angles.The results show that the simulation and experimental results are basically consistent and well predict the turbine characteristics.Compared with 0°attack angle,the turbine speed at 5°attack angle becomes higher at lower flow velocity and vice versa;under cavitation,the periodical change of original speed signal of turbine disappears at 5°attack angle,and the turbine stalls in the case of lower cavitation number.

ordnance science and technology;fuze turbine;water tunnel experiment;fluid simulation; small attack angle;cavitation

TF43

:A

1000-1093(2014)05-0620-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.007

2013-08-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275248);“十二五”兵器支撐項(xiàng)目(62201040603);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ13_0190)

陳勇(1989—),男,博士研究生。E-mail:lyhho@qq.com;張合(1957—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:hezhangz@mail.njust.edu.cn