基于流动控制的水下航行体流体动力特性分析

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1、2015年4月第41卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2015V01．4lNo．4http：／／bhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0299基于流动控制的水下航行体流体动力特性分析张孝石，王聪4，曹伟，赵成功(哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001)摘要：利用CFX对水下航行体流体动力特性进行了数值模拟研究．求解了混合介质的剪切

2、压力输运湍流模型控制方程、雷诺．平均奈维尔一斯托克斯方程以及各相间的质量输运方程，采用三维数值模拟方法对比分析了不同流动控制方案的水下航行体空泡形态特征、表面压力分布和阻力系数变化特性，讨论了不同参数对减阻效果的影响．结果表明，对于有横流作用的水下垂直发射航行体，多相流动控制不仅可以降低通气空泡的不对称性和航行体阻力，同时可以均匀迎流面和背流面压力，从而实现航行体多相流空泡形态及表面压力特性等的控制．此外，通气13的位置对减阻效果具有显著影响．关键词：流动控制；通气口；空泡形态；流体动力；多相流；数值计算中图分类号：TJ762．4文献标

3、识码：A文章编号：1001—5965(2015)04-0656—07水下航行体在垂直发射过程中，由于受到牵连速度影响形成不对称空泡，会造成一个弯矩，弯矩过大将严重影响垂直发射航行体的弹道和载荷．了解水下航行体这种特殊的受力情况对水下发射动力学分析有很大意义．通过多相流动控制方式可以稳定空泡并控制空泡形态，受多相流动控制的航行体周围会产生空气、水、水蒸气三相混合介质，航行体周围的流体动力特性更加复杂．国内外学者对空化问题做了大量的试验研究与数值计算．Reichardt⋯于1945年首次提出通过人工通气的方法生成超空泡，后来的通气空泡研究均

4、基于这一思想；Silberman和Song¨1通过试验研究了通气空泡的振荡规律，得到了通气量与空泡形态和泡内压力之间的关系．Lindau等∞o建立了一套高雷诺数下的超空泡航行体多相流计算程序．闵景新等H1通过数值模拟研究了垂直发射过程中局部空泡对流体动力的影响以及不同头型对空泡的抑制作用．Kawakami和Arndt¨o通过水洞试验分析了通气空泡形态及空泡闭合处现象，并得到了水洞阻塞效应作用下的最小空化数．Matveev和Miller∞1通过水洞试验研究了空泡在不同空化数下的稳定长度，并分析了空泡在没有泄气和有泄气情况下空泡的长度变化．

5、Ramesh等¨1通过边界元法研究了不同通气孑L直径和不同空化器形状条件下所产生的空泡波动问题．黄彪等¨1通过试验研究了轴对称体空化水动力脉动特性．王一伟等H1通过数值模拟研究了航行体出水载荷问题，提出了出水溃灭压力物理模型．目前为止，流动控制方法主要分为主动控制法和被动控制法．微涡流发生器(MVG，Micro-VortexGenerator)被视为现阶段亚声速、超声速及高超声速进气道中最具有应用前景的被动流动控制装置，并成为近几年收稿日期：2014-05-26；录用日期：2014-08—11；网络出版时间：2014—12．1017：0

6、5网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0299．html基金项目：国家自然科学基金资助项目(51149003)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(HIT．NSRIF．2013033)作者简介：张孝石(1987一)，男，黑龙江哈尔滨人，博士生，hitzxs@gmail．com+通讯作者：王聪(1966一)，男，内蒙古呼和浩特人，教授，alanwang@hit．edu．ca，主要研究方向为运动体多相流动力学、水下发射技术、航天大型柔性结构动力学、振动与控制

7、．；f用格式：张孝石，王聪，曹伟，筝．基于流动控制的水下航行体流体动力特性分析ⅣJ．北京航空航天大学学报，2015，41一)：656—662．ZhangXS．WangC，CaoW，eta1．HydrodynamicfeaturesofunderwatervehiclesbasedonflowcontroleJ】．JournalofBei．ringUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41f4)：656-662(inChinese)．第4期张孝石，等：基于流动控制的水下航行体流体动力特性分

8、析657边界层分离控制研究的热点．研究人员利用涡流发生器延缓边界层流体分离，从而进一步增加机翼的升力并减小阻力¨““1．Wendt和Hingst0121模拟了二维翼型尾流发生器作用下尾涡的脱落过程，建立了尾