劉富強(qiáng) ,周霖儀 ,孫 元 ,閆 靠

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077;2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司,上海,200011)

0 引言

以魚(yú)雷為代表的水下航行器因其具有水下打擊威力大、隱蔽性好等特點(diǎn),已成為海軍水下攻防的主戰(zhàn)裝備[1-3]。然而,隨著科技的飛速發(fā)展,艦船的綜合性能尤其是航速得到大幅提高,為了有效追蹤和攻擊目標(biāo),魚(yú)雷的最大航速至少應(yīng)達(dá)到目標(biāo)航速的1.5 倍,這對(duì)水下航行器的航速指標(biāo)提出了更高的要求,進(jìn)而給動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)帶來(lái)了更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

噴水推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于水下航行器時(shí),可以避開(kāi)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)在軸系布置、傳動(dòng)方式等方面遇到的一系列技術(shù)難題,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),尤其在高航速、淺水抗氣蝕性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)[4-5]。因此,對(duì)噴水推進(jìn)技術(shù)的研究已成為目前世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。

噴水推進(jìn)系統(tǒng)的研究最早可以追溯到300 多年前。1661 年,Toogood 與Hayes 獲得了英國(guó)的專(zhuān)利,此后有關(guān)噴水推進(jìn)裝置的研究從未停止[6]。19世紀(jì)末,噴水推進(jìn)被應(yīng)用于船舶推進(jìn)領(lǐng)域。1865年,英國(guó)建造了2 艘噴水推進(jìn)的炮艦,其排水體積為1 180 m3[7]。1962 年,蘇聯(lián)首次在水翼艇上采用噴水推進(jìn)裝置,美國(guó)波音公司也在“小水槍”號(hào)試驗(yàn)艇上采用離心泵作為噴水推進(jìn)泵[8]。1974 年,英國(guó)首先在其核潛艇“Sovereign”上使用噴水推進(jìn)系統(tǒng),美、法等國(guó)也先后在核潛艇上采用了噴水推進(jìn)方式。美國(guó)海軍最新型“海狼”級(jí)攻擊核潛艇即采用噴水推進(jìn)方式[9]。

噴水推進(jìn)裝置在水下航行器上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在高性能魚(yú)雷上,如俄羅斯的某型噴水推進(jìn)魚(yú)雷航速高達(dá)70 kn[10]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水面航行器噴水推進(jìn)也做了大量的研究。荷蘭科學(xué)家深入探索了噴水推進(jìn)裝置與船體之間的相互作用,制定了一套噴水推進(jìn)船模自航試驗(yàn)預(yù)報(bào)推進(jìn)性能的試驗(yàn)方法和規(guī)程,奠定了噴水推進(jìn)的試驗(yàn)基礎(chǔ)[11-12]。

隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷進(jìn)步,計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)的發(fā)展為噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和研究提供了平臺(tái)。Park 等[13-14]應(yīng)用雷諾平均納維-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程對(duì)船舶用噴水推進(jìn)裝置進(jìn)行了數(shù)值仿真,模擬了內(nèi)流場(chǎng)中復(fù)雜的粘性流和翼梢渦流,通過(guò)仿真對(duì)噴水推進(jìn)裝置的推力和轉(zhuǎn)矩性能做出預(yù)測(cè),仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。苑龍飛等[15]采用CFD 方法對(duì)噴水推進(jìn)系統(tǒng)在淺水高速工況下的適應(yīng)性問(wèn)題進(jìn)行了仿真,得出單級(jí)噴水推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)性較差,氣蝕嚴(yán)重,雙級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)水泵推進(jìn)系統(tǒng)可提高高速水下航行器的淺水抗空泡性能的結(jié)論。劉成勇[16]提出了適用于淺水高速的噴水推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,采用數(shù)值方法開(kāi)展噴水推進(jìn)系統(tǒng)研究。

綜合國(guó)內(nèi)外已有研究發(fā)現(xiàn),對(duì)大尺度航行器噴水推進(jìn)研究較多,其內(nèi)流道浸沒(méi)深度大;而針對(duì)小尺度航行器近水面噴水推進(jìn)系統(tǒng)流道內(nèi)流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性研究較少。小尺度航行器近水面噴水推進(jìn)內(nèi)流道浸沒(méi)較淺,涉及多相流動(dòng)、湍流以及內(nèi)流道配置等一系列問(wèn)題,試驗(yàn)研究較為復(fù)雜,亦不經(jīng)濟(jì)。因此,文中提出一種數(shù)值仿真的方法研究航行器近水面噴水推進(jìn)的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性。該方法基于STAR-CCM+數(shù)值仿真軟件,選用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型,采用多重參考系(multiple reference frame,MRF)模型和理想水泵模型構(gòu)建航行器水面滑行噴水推進(jìn)數(shù)值仿真模型,對(duì)航行器在近水面不同模擬水泵壓力和浸沒(méi)深度下的水面滑行工況進(jìn)行仿真,研究其水面滑行過(guò)程中的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性。

1 數(shù)值仿真模型建立

1.1 數(shù)值方法

航行器水面滑行問(wèn)題屬于氣液兩相問(wèn)題,在湍流的非直接數(shù)值仿真中,應(yīng)用最廣泛的是時(shí)均性質(zhì)的RANS 方程,控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和相體積方程[17-18],分別為

式中:αq為流體微元中第q相體積分?jǐn)?shù);v為流體微元的速度矢量;ρq為第q相密度;和分別為第q相和第p相之間的質(zhì)量傳遞速率;n為總相數(shù);ρm、μm分別為流體微元各相平均密度和動(dòng)力黏度。

湍流模型采用SSTk-ω模型[19],其基于Baselinek-ω湍流模型,考慮了湍流剪切力的輸運(yùn)問(wèn)題。采用MRF 模型[18,20]將航行器運(yùn)動(dòng)規(guī)律以平移速度的方式賦予參考系,把相對(duì)速度代入控制方程進(jìn)行計(jì)算。采用理想水泵模型模擬文中研究軸流水泵噴水推進(jìn)。針對(duì)水面航行問(wèn)題,采用流體體積(volume of fluid,VOF)方法模擬氣液兩相界面問(wèn)題,可以更深入地觀察自由液面的變化,以獲得更好的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性[21]。

1.2 SST k-ω 湍流模型

湍流是自然界中最為常見(jiàn)的一種流動(dòng)現(xiàn)象,在工程技術(shù)領(lǐng)域,大多數(shù)流動(dòng)都是湍流流動(dòng),其屬于極為復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)、有旋不規(guī)則運(yùn)動(dòng),具有隨機(jī)脈動(dòng)性和各向不均勻性,對(duì)于流場(chǎng)的壓力、速度等分布具有明顯的影響。湍流仿真的方法主要有直接數(shù)值仿真(direct numerical simulation,DNS)、RANS和大渦仿真(large eddy simulation,LES)等,文中采用工程常用的RANS 湍流模型求解航行器水面航行的流場(chǎng)。

在對(duì)航行器水面航行數(shù)值仿真中,可以采用的RANS 湍流模型包括k-ε湍流模型和k-ω湍流模型,兩者在工程實(shí)踐中都得到了廣泛應(yīng)用。常用的k-ω湍流模型有3 種,即Standardk-ω湍流模型、BSL(Baseline)k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型。根據(jù)湍流模型的使用要求和相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論,文中在模擬航行器水面航行時(shí)選用SSTk-ω湍流模型。SST 湍流模型基于BSLk-ω湍流模型,考慮了湍流剪切力的輸運(yùn)問(wèn)題,在流場(chǎng)計(jì)算中具有較好的精度和可行度。

Menter[19]認(rèn)為BSL 模型的缺陷主要是由于對(duì)渦粘性的預(yù)測(cè)不當(dāng)引起的,可通過(guò)給渦粘性設(shè)置限制器的方法來(lái)解決,并由此提出SSTk-ω湍流模型?；贐SL 湍流模型,SST 湍流模型作如下改進(jìn)

式中量的解釋參見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。

1.3 MRF 運(yùn)動(dòng)參考系

MRF 模型是Issa 等[20]于1994 年提出的一種針對(duì)多區(qū)域計(jì)算較為簡(jiǎn)單的定常計(jì)算模型。定義坐標(biāo)系ox′y′z′固連于繞流物體,并且相對(duì)于慣性坐標(biāo)系oxeyeze,坐標(biāo)系ox′y′z′的原點(diǎn)位置矢量為r0,平移速度為vt,角速度為 ω。對(duì)于計(jì)算域內(nèi)的任一流體微元,假設(shè)其相對(duì)于坐標(biāo)系ox′y′z′原點(diǎn)位置為r,

則該點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系oxeyeze中的絕對(duì)速度為

式中,vr為流體微元在運(yùn)動(dòng)參考系ox′y′z′的相對(duì)速度。

采用運(yùn)動(dòng)參考系方法,將繞流物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以平移速度或旋轉(zhuǎn)速度的方式賦予參考系,然后把相對(duì)速度代入控制方程進(jìn)行計(jì)算。相對(duì)速度形式的動(dòng)量守恒方程需要添加額外的體積力,主要用于描述旋轉(zhuǎn)和加速等非慣性運(yùn)動(dòng),包括科氏加速度、向心加速度等。運(yùn)動(dòng)參考系中流體質(zhì)點(diǎn)受到的體積力有

式中:α和a分別為運(yùn)動(dòng)參考系相對(duì)于慣性參考系的旋轉(zhuǎn)加速度和平移加速度;等號(hào)右邊各求和項(xiàng)依次為科氏加速度、向心加速度、角加速度、平移加速度和重力加速度。

1.4 VOF 波

STAR-CCM+軟件提供VOF 波建模,VOF 波模型用于模擬輕流體和重流體間交界面上的表面重力波。STAR-CCM+提供VOF 波模型包括平波、1 階波、5 階波、橢圓余弦波、疊加波和不規(guī)則波等。文中所研究的航行器靜水面航行問(wèn)題,采用平波模型構(gòu)建氣液交界面,通過(guò)設(shè)置平波水面上的點(diǎn)和水面方向模擬航行器水面航行工況。圖1為文中研究航行器水面噴水推進(jìn)初始流場(chǎng)液面示意圖,藍(lán)色區(qū)域表示空氣域,紅色區(qū)域表示水域。

圖1 航行器靜水面液面示意圖Fig.1 Schematic diagram of static water level of a vehicle

1.5 理想水泵模型

采用軸流水泵噴水推進(jìn)的雙模航行器在水面滑行時(shí)不僅其主體表面受到流體阻力,噴水推進(jìn)內(nèi)流道也受到較大的阻力,尤其是軸流泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)。因此,文中對(duì)航行器軸流水泵噴水推進(jìn)特性進(jìn)行分析,探究航行器水面滑行內(nèi)流道的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性。研究中為了便于計(jì)算,不針對(duì)軸流泵的具體設(shè)計(jì)作細(xì)致研究,采用CFD 理想水泵模型模擬軸流泵增壓過(guò)程[19]。

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,噴水推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力由CFD 模擬理想水泵模型的壓差 ΔP提供,當(dāng)航行器水面航行處于勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),噴水推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力Tt的水平分量與航行阻力Fd平衡,即

式中:α1為航行器水面滑行的攻角;A1為軸流泵安裝處環(huán)形流道面積。

2 可行性驗(yàn)證

Timothy 等[22]利用水池進(jìn)行拖曳試驗(yàn),對(duì)不同直徑回轉(zhuǎn)體的滑水問(wèn)題進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究。基于航行器水面航行的數(shù)值仿真模型和文獻(xiàn)[22]中直徑88.9 mm、長(zhǎng)度1 422 mm 的回轉(zhuǎn)體,對(duì)回轉(zhuǎn)體以12.19 m/s 速度、6°攻角進(jìn)行一定浸沒(méi)深度滑水工況數(shù)值仿真。

圖2 展示了回轉(zhuǎn)體在沾濕長(zhǎng)度為4 倍直徑滑水狀態(tài)下的試驗(yàn)照片和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果。仿真結(jié)果可知,在滑水過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)體尾部飛濺產(chǎn)生大量的水花,與試驗(yàn)照片吻合性較好。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,對(duì)回轉(zhuǎn)體滑水的升阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè),該工況下數(shù)值計(jì)算升力為19.37 N,阻力為10.21 N。

圖2 滑水試驗(yàn)照片與數(shù)值仿真對(duì)比Fig.2 Comparison of experiment photo and numerical simulation

對(duì)升阻力特性進(jìn)行無(wú)量綱化表示,升力系數(shù)為0.032 9,阻力系數(shù)為0.017 3。對(duì)比文獻(xiàn)中得到的升力系數(shù)0.033 8,阻力系數(shù)0.017,升力系數(shù)誤差為-2.5%,阻力系數(shù)誤差為2.28%,均小于5%,滿(mǎn)足工程誤差。

式中:Fl和Fd分別表示航行器航行過(guò)程中受到的升力和阻力;ρ表示運(yùn)動(dòng)環(huán)境介質(zhì)的密度,文中取水的密度998 kg/m3;v和D分別為航行器的運(yùn)動(dòng)速度和直徑。

基于前文提出的航行器水面航行數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)經(jīng)典文獻(xiàn)中回轉(zhuǎn)體水面滑行進(jìn)行相同工況的數(shù)值仿真,數(shù)值仿真流場(chǎng)吻合性較好,流體動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相比誤差不超過(guò)5%,在工程誤差范圍內(nèi)。因此,文中提出的航行器水面航行數(shù)值計(jì)算方法可行,可用于后文對(duì)航行器軸流水泵噴水推進(jìn)流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性研究。

3 數(shù)值仿真計(jì)算

文中所研究航行器水面滑行階段動(dòng)力推進(jìn)方式采用電動(dòng)力噴水推進(jìn)。電動(dòng)力航行器的優(yōu)勢(shì)在于航行器所需能源僅需攜帶蓄電池,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。航行器采用噴水推進(jìn)可以避免螺旋槳推進(jìn)易產(chǎn)生空化從而導(dǎo)致推進(jìn)效率低的問(wèn)題。

水下噴水推進(jìn)航行器一般采用周向進(jìn)水模式，其能夠避免流道內(nèi)非均勻流的出現(xiàn),模型示意圖如圖3 所示。文中提出一種新型的雙模航行器,其由航行器主體和前水翼2 部分組成,可以實(shí)現(xiàn)水面自由滑行和水下航行,雙模航行器水面滑行效果圖如圖4 所示。

圖3 周向進(jìn)水水下航行器模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of circumferential inlet undersea vehicle model

圖4 雙模航行器水面滑行效果圖Fig.4 Rendering of a dual-mode vehicle planing

文中所研究的雙模航行器在水面滑行階段若采用周向進(jìn)水,軸流泵在吸水的同時(shí)會(huì)夾雜大部分空氣進(jìn)入到內(nèi)流道,夾雜空氣的存在將嚴(yán)重影響軸流泵的工作效率,因此文中研究的雙模航行器噴水推進(jìn)內(nèi)流道配置采用單側(cè)進(jìn)水設(shè)計(jì),航行器在水面滑行過(guò)程中,通過(guò)下端進(jìn)水可有效避免流道內(nèi)夾雜空氣現(xiàn)象的發(fā)生。航行器尾部結(jié)構(gòu)及電動(dòng)力噴水推進(jìn)內(nèi)流道模型如圖5 所示。

圖5 航行器尾部結(jié)構(gòu)以及電動(dòng)力噴水推進(jìn)模型Fig.5 Tail structure of a vehicle and electro-dynamic water-jet propulsion model

航行器噴水推進(jìn)系統(tǒng)工作過(guò)程中電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸將動(dòng)力傳遞至軸流泵動(dòng)葉。軸流泵在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,進(jìn)水口吸水通過(guò)軸流泵增壓后將水向后高速?lài)姵?從而使航行器獲得推力。

在計(jì)算機(jī)軟件仿真過(guò)程中,一般借助網(wǎng)格進(jìn)行求解。文中采用切割體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格對(duì)流域網(wǎng)格進(jìn)行劃分,采用表面重構(gòu)對(duì)網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)體銜接處進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)針對(duì)航行器內(nèi)流道及水面區(qū)域采用體積控制法進(jìn)行局部體加密。

在網(wǎng)格模型和計(jì)算域保持不變的條件下,采用體形狀內(nèi)不同網(wǎng)格加密尺度對(duì)航行器內(nèi)流道進(jìn)行局部加密,得到網(wǎng)格單元總數(shù)目分別為360 萬(wàn)、450 萬(wàn)、570 萬(wàn)和684 萬(wàn)4 種計(jì)算域網(wǎng)格結(jié)果。通過(guò)對(duì)水面恰好淹沒(méi)航行器尾端特定工況進(jìn)行數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性,此時(shí)航行器速度、攻角和 ΔP分別為7.5 m/s、10°和60 kPa。

表1 為不同網(wǎng)格數(shù)量下航行器特定工況水面滑行阻力特性,360 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量模型阻力明顯高于其他網(wǎng)格數(shù)量計(jì)算值;450 萬(wàn)、570 萬(wàn)和684 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量模型阻力計(jì)算值幾乎相同?？紤]網(wǎng)格數(shù)量較大時(shí),增加計(jì)算機(jī)運(yùn)行負(fù)荷,計(jì)算耗時(shí)增長(zhǎng)。因此選用570 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量模型用于后續(xù)航行器水面噴水特性數(shù)值仿真計(jì)算。圖6 為570 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量模型航行器網(wǎng)格示意圖,航行器內(nèi)流道網(wǎng)格平均尺寸為4 mm,網(wǎng)格質(zhì)量較好。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)量特定工況水面滑行阻力特性Table 1 Drag characteristics of planing at a specific condition under different mesh quantity

圖6 航行器網(wǎng)格局部Fig.6 Local mesh of a vehicle

3.1 不同ΔP 下航行器水面滑行仿真分析

在對(duì)雙模航行器主體噴水推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)外流場(chǎng)仿真時(shí),根據(jù)包含內(nèi)流道的航行器主體總阻力,不斷調(diào)整模擬水泵模型的壓力值,最終使得航行器主體的阻力與噴水推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力平衡,使航行器主體在水平方向處于受力平衡狀態(tài)。對(duì)航行器主體在不同 ΔP作用下的水面滑行過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真,研究?jī)?nèi)流道的流場(chǎng)特性以及航行器主體的流體動(dòng)力特性,航行器主體水面滑行速度為7.5 m/s,攻角為10°,液面高度恰好淹沒(méi)航行器尾部,文中所研究航行器內(nèi)流道軸流水泵安裝處環(huán)形流道面積A1=0.009 076 m2。

表2 為航行器主體在水面滑行時(shí)不同ΔP作用下模擬推力值和總阻力值。觀察發(fā)現(xiàn),隨著ΔP的增大,航行器主體阻力值明顯增大。當(dāng)ΔP=60 kPa 時(shí),水泵推力的水平分量Ttx=536.3 N,該工況下航行器主體的總阻力Fd=539.6 N,兩者差值為總阻力的0.61%,小于1%。此時(shí)可認(rèn)為軸流水泵推力與航行器主體的總阻力平衡。

表2 不同ΔP 下航行器水面滑行理想水泵推力與總阻力Table 2 Ideal pump thrust and total drag for vehicle planing under different ΔP

在不同ΔP下水面滑行工況的數(shù)值仿真中,對(duì)航行器的外流場(chǎng)及內(nèi)流道流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比。圖7為航行器主體不同 ΔP時(shí)水面滑行的密度云圖,其中紅色為水介質(zhì),藍(lán)色為空氣介質(zhì)。觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)ΔP=0,即水泵不工作時(shí),幾乎沒(méi)有水進(jìn)入內(nèi)流道。表3 為航行器穩(wěn)態(tài)航行時(shí),對(duì)其噴水特性及流體動(dòng)力特性的監(jiān)測(cè)值,其中:M為內(nèi)流道噴水出口的流量;vout為出口的平均噴水速度;Fl為航行器主體的總升力;Fd_out和Fl_out為航行器外殼體的阻力和升力;Fd_in和Fl_in為航行器內(nèi)流道的阻力和升力。

表3 不同 ΔP下航行器噴水特性及流體動(dòng)力特性Table 3 Water-jet characteristics and hydrodynamic characteristics of a vehicle under different ΔP

當(dāng) ΔP=0 時(shí),航行器內(nèi)流道出口流量?jī)H為0.347 kg/s,明顯小于其他壓力工況出口流量,出口平均速度為1.59 m/s;觀察其阻力分布情況發(fā)現(xiàn),內(nèi)流道阻力為-0.57 N,近似為零,航行器主體的阻力全部體現(xiàn)為外殼體阻力,流道內(nèi)幾乎沒(méi)有液體流動(dòng)。此時(shí)航行器內(nèi)流道升力為負(fù),屬于壓差升力,這主要是由于初始狀態(tài)下內(nèi)流道內(nèi)部充滿(mǎn)水,而在穩(wěn)態(tài)航行時(shí)流道內(nèi)的水未完全排出導(dǎo)致,該結(jié)果與圖7(a)水面滑行密度云圖所呈現(xiàn)的幾乎沒(méi)有水進(jìn)入內(nèi)流道的現(xiàn)象相吻合。

對(duì)比圖7 發(fā)現(xiàn),當(dāng) ΔP存在時(shí),水從進(jìn)水口被吸入內(nèi)流道,并完全充滿(mǎn)內(nèi)流道,無(wú)空氣夾雜,進(jìn)水效果良好,在流道出口向后高速?lài)姵鲂纬赏屏?。圖8和圖9 分別為不同ΔP下航行器主體水面滑行的壓力云圖和速度云圖。從圖8 可知,在水泵前后有明顯的壓力變化,流場(chǎng)最高壓力點(diǎn)位于泵后的高壓區(qū);從圖9 可以發(fā)現(xiàn),內(nèi)流道出口有明顯的高速射流出現(xiàn)。

圖8 不同ΔP 下航行器水面滑行壓力云圖Fig.8 Pressure contours of vehicle planing under different ΔP

圖9 不同ΔP 下航行器水面滑行速度云圖Fig.9 Vehicle contours of vehicle planing under different ΔP

表3 中,隨著 ΔP的增大,航行器內(nèi)流道出口的質(zhì)量流量和平均噴水速度逐漸提高。對(duì)航行器主體在不同工況下的流體動(dòng)力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè),包括航行器外殼體和內(nèi)流道的升阻力特性。觀察發(fā)現(xiàn),不同ΔP下航行器主體水面滑行過(guò)程中外殼體的阻力值約為140～150 N,升力值約為410 N,升阻力特性均無(wú)明顯變化,不會(huì)對(duì)航行器殼體外流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。隨著壓力值的增大,內(nèi)流道阻力明顯上升,這一方面與流道內(nèi)部水流速度增加,流道內(nèi)摩擦阻力明顯增大有關(guān);另一方面則是由于流道收縮段前為高壓區(qū),對(duì)內(nèi)流道有較大的壓差作用力,主要體現(xiàn)為水平方向的阻力。

觀察內(nèi)流道升力特性發(fā)現(xiàn),內(nèi)流道升力為負(fù),且隨著壓力值的增大,內(nèi)流道升力的絕對(duì)值略微增大。內(nèi)流道升力為負(fù)值的主要原因是,航行器主體水面帶攻角滑行時(shí),內(nèi)流道收縮段后端高壓區(qū)對(duì)內(nèi)流道的壓力作用斜向下,豎直方向表現(xiàn)為向下的升力。內(nèi)流道升力絕對(duì)值略微增大,不同于阻力值變化明顯的主要原因在于,航行器小攻角水面滑行內(nèi)流道高壓區(qū)作用力斜向下,主要體現(xiàn)為水平阻力,對(duì)于豎直方向的升力項(xiàng)貢獻(xiàn)較小。因此,在航行器主體水面滑行流體動(dòng)力特性分布中,阻力值隨著內(nèi)流道水泵壓力變化明顯,升力值變化不明顯。

3.2 不同浸沒(méi)深度下航行器水面滑行仿真分析

文中設(shè)計(jì)的雙模航行器推進(jìn)方式為噴水推進(jìn),要求航行器在水面滑行的過(guò)程中液面必須高于進(jìn)水口才能滿(mǎn)足進(jìn)水需求,否則將可能影響軸流泵的工作效率。由于航行器在水面滑行過(guò)程中會(huì)受到波浪等擾動(dòng)的影響,進(jìn)水口附近液面高度也會(huì)發(fā)生變化,因此需對(duì)航行器主體在不同浸沒(méi)深度水面滑行工況進(jìn)行數(shù)值仿真,探究浸沒(méi)深度對(duì)航行器內(nèi)流道進(jìn)水的影響。

通過(guò)3.1 節(jié)數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn),當(dāng) ΔP=60 kPa 時(shí),水泵提供推力的水平分量為536.3 N,此時(shí)航行器主體總阻力為539.6 N,推力水平分量與阻力相平衡。但在研究中未考慮前水翼的阻力,在雙模航行器水面滑行過(guò)程中該部分阻力仍需動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)提供。文中雙模航行器配置前水翼在70 mm 水下運(yùn)動(dòng)工況下計(jì)算得到的前水翼阻力為155 N,因此當(dāng) ΔP=60 kPa 時(shí),軸流水泵推力將不再滿(mǎn)足總阻力需求,需要提高水泵性能。表4 為 ΔP=60～100 kPa時(shí)航行器主體的推力水平分量和阻力特性,其中Fd_b為航行器主體阻力,Fd_t為航行器總體阻力。當(dāng) ΔP=90 kPa 時(shí),Fd_t=805.5 N,此時(shí)Ttx=804.4 N,兩者差值為總阻力值的0.14%?？烧J(rèn)為當(dāng) ΔP=90 kPa時(shí),航行器動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)性能與航行器總體性能相匹配。

表4 不同ΔP 下航行器水平推力和阻力特性Table 4 Horizontal thrust and drag characteristics of the vehicle under different ΔP

采用單一變量法研究浸沒(méi)深度h(為液面距離航行器內(nèi)流道進(jìn)水口的高度)對(duì)航行器主體以及內(nèi)流道流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性的影響。設(shè)水面滑行速度7.5 m/s,攻角10°,ΔP=90 kPa,分別取h=2、20、40、60、80、100、120 mm。圖10 為航行器主體在h=2 mm 時(shí)水面滑行的初始狀態(tài)密度云圖,此時(shí)水面恰好淹沒(méi)進(jìn)水口,初始狀態(tài)下流道內(nèi)充滿(mǎn)水。

圖10 h=2 mm 時(shí)航行器主體初始狀態(tài)密度云圖Fig.10 Density contour of main body of the vehicle at initial state with h=2 mm

比較穩(wěn)定航行流場(chǎng)發(fā)現(xiàn),當(dāng)h=2 mm 時(shí),航行器內(nèi)流道進(jìn)水效果較差。圖11為h=2 mm 時(shí),航行器主體水面滑行穩(wěn)態(tài)密度云圖和速度云圖。從圖11(a)可以發(fā)現(xiàn),流道內(nèi)夾雜大量空氣,極大影響水泵效率;從圖11(b)可以發(fā)現(xiàn),流道內(nèi)最高速度達(dá)到114.26 m/s,并且在高速區(qū)域主要表現(xiàn)為流道內(nèi)空氣的高速擾動(dòng)。

圖11 h=2 mm 時(shí)航行器穩(wěn)態(tài)密度和速度云圖Fig.11 Steady-state density and velocity contours of vehicle inlet at h=2 mm

圖12 表征了航行器主體在不同浸沒(méi)深度下流場(chǎng)的密度云圖。觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)h=20～120 mm 時(shí),在軸流水泵作用下,水能夠完全充滿(mǎn)內(nèi)流道,無(wú)空氣夾雜,進(jìn)水效果良好。圖13 為航行器主體在不同浸沒(méi)深度水面滑行的速度云圖,當(dāng)h＞20 mm 時(shí),不同浸沒(méi)深度工況航行器流道出口均有高速流體噴出,流域最大速度幾乎相同,均為16.0～16.7 m/s。

圖12 不同浸沒(méi)深度航行器水面滑行密度云圖Fig.12 Density contours of vehicle planing at different immersion depths

圖13 不同浸沒(méi)深度航行器水面滑行速度云圖Fig.13 Velocity contours of vehicle planing at different immersion depths

對(duì)航行器主體不同浸沒(méi)深度水面滑行過(guò)程中的流體動(dòng)力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果見(jiàn)表5。當(dāng)h=2 mm時(shí),流道出口流量33.3 kg/s,出口平均速度58.2 m/s,出口流量明顯小于其他浸沒(méi)深度下水面滑行出口流量,而出口平均速度是其他浸沒(méi)深度航行器主體水面滑行出口平均速度的4 倍以上。這主要是由于h=2 mm 時(shí),內(nèi)流道出口高速出流時(shí)夾雜大量空氣所致,與圖11 所示的流場(chǎng)特性相吻合。

表5 航行器不同浸沒(méi)深度水面滑行流體動(dòng)力特性Table 5 Hydrodynamic characteristics of vehicle planing at different immersion depths

對(duì)比h＞20 mm 時(shí)航行器水面滑行阻力特性發(fā)現(xiàn),隨著航行器浸沒(méi)深度的提高,航行器主體沾水面積增大,航行器殼體的阻力顯著提高,而內(nèi)流道阻力幾乎不變,穩(wěn)定在510 N 左右。觀察其不同浸沒(méi)深度升力特性,航行器內(nèi)流道升力為負(fù)值,這主要與航行器帶攻角航行噴水方向斜向下有關(guān),且內(nèi)流道升力穩(wěn)定在-100 N 左右,主要體現(xiàn)為壓差升力;航行器外殼體阻力隨著浸沒(méi)深度的增加逐漸提高,主要表現(xiàn)為沾水面積的增大,航行器外殼體摩擦阻力增大。

當(dāng)h＞20 mm 時(shí),航行器內(nèi)流道流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性幾乎不變,不再受浸沒(méi)深度影響。

4 結(jié)論

文中基于STAR-CCM+數(shù)值仿真軟件,采用MRF 運(yùn)動(dòng)參考系和模擬理想水泵模型構(gòu)建航行器水面航行噴水推進(jìn)數(shù)值仿真模型。對(duì)航行器在不同模擬水泵壓力和不同浸沒(méi)深度水面航行工況進(jìn)行數(shù)值仿真,探究?jī)?nèi)流道的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性,主要得到以下結(jié)論。

1)理想水泵模型能夠很好地模擬軸流水泵吸水作用,水從進(jìn)水口被吸入內(nèi)流道,并完全充滿(mǎn)內(nèi)流道,無(wú)空氣夾雜,進(jìn)水效果良好,在流道出口向后高速?lài)姵鲂纬赏屏Α?/p>

2)對(duì)比不同模擬水泵壓力航行器內(nèi)流道的流體動(dòng)力特性發(fā)現(xiàn),隨著壓力值的增大,內(nèi)流道阻力明顯上升。這一方面與流道內(nèi)部水流速度增加導(dǎo)致摩擦阻力增大有關(guān);另一方面與流道收縮段前高壓區(qū)對(duì)內(nèi)流道有較大的壓差作用有關(guān)。內(nèi)流道升力體現(xiàn)為負(fù)升力,隨著壓力值的增大,內(nèi)流道升力幾乎不發(fā)生變化。

3)對(duì)航行器主體在不同浸沒(méi)深度水面滑行的數(shù)值仿真中發(fā)現(xiàn),當(dāng)航行器進(jìn)水口浸沒(méi)深度大于20 mm 時(shí),航行器內(nèi)流道進(jìn)水效果不再受浸沒(méi)深度的影響,進(jìn)水效果良好。

文中采用簡(jiǎn)化內(nèi)流道定常研究來(lái)探索航行器水面航行噴水推進(jìn)特性,后續(xù)將針對(duì)航行器水面動(dòng)態(tài)航行過(guò)程進(jìn)行更深層次的研究,具體研究方向包括航行器的跨介質(zhì)水面航行、多自由度運(yùn)動(dòng)特性等。