基于DES模型圆柱弹丸水中绕流特性仿真

DOI:10./j.issn.-..05.

基于DES模型圆柱弹丸水中绕流特性仿真

张弛宇1,郭锐1,刘敏2,刘荣忠1,周昊1,陈亮1

(1.南京理工大学机械工程学院,江苏南京,214;

2.陆军西安军事代表局,陕西西安,)

摘要:圆柱型装药是水下战斗部的主要形式,文中基于Fluent软件,采用分离涡模拟(DES)方法对处于高雷诺数下圆柱弹丸进行了二维水中绕流仿真,重点研究了25m/s来流速度下圆形弹丸水中绕流特性,得到了升力系数、阻力系数以及斯特劳哈尔数。通过仿真得到了周期性交替脱落的卡门涡街结构,分析了流场在不同截面时均速度规律,以及圆柱周向时均稳态压力系数,其图像规律也与已知大湍涡模拟(LES)方法高度吻合。通过对不同来速下弹丸阻力系数和斯特劳哈尔数的分析,结果表明,随着来流速度增大,阻力系数减少,圆柱弹丸在水中运动所受的阻力减小,而斯特劳哈尔数增大意味圆柱弹丸两侧涡脱落的频率增大,当涡脱落频率与物体固有频率接近时,会引起共振,造成弹的损伤。文中的研究可为水下战斗部弹丸设计提供参考。

关键词:水下战斗部;圆形弹丸绕流;分离涡模拟(DES)湍流模型;高雷诺数;卡门涡街

中图分类号:TJ;TJ.33

0　引言

　　柱体绕流是经典的流体力学课题,于20世纪60~90年代被广泛 　　目前,国内外学者针对柱体绕流的研究已有很多。史里希廷[1]给出了来流速度小于m/s即雷诺数小于1×的实验结果;E.Achenbach[2]对雷诺数处于6×Re2×的光滑表面单圆柱绕流进行了实验研究,得到了圆柱周围局部压力和摩擦力的分布;Yokuda和Ramaprian[3]对亚临界区圆柱绕流进行了实验研究,但目前已知关于圆柱绕流的研究多采用大湍涡模拟(largeeddysimulation,LES)方法,雷诺数一般在1×以下,且采用LES需要将计算网格划分到惯性子尺度以内,计算时间和网格数量随着雷诺数的增大呈几何倍数关系[4];雷诺平均(ReynoldsaveragenavierStockes,RANS)虽然计算量较小,但文献[5]的研究结果表明,二维RANS模型难以合理地预测非定常柱体绕流;Spalart[6]在年提出了分离涡模拟(detachededdysimulation,DES)的方法,将RANS与LES相结合,既能在附面层内发挥RANS计算量小的优点,又可以在远离物面的区域对大尺度分离湍流流动进行较好的模拟。

　　基于此,文中采用S-A模型下的DES方法进行数值仿真,验证了DES模型在大雷诺数研究中的准确性,得出了圆柱弹丸的平均阻力系数和斯特劳哈尔数,继而研究卡门涡街现象以及流场中几个截面时均速度分布以及圆柱周向稳态压力系数。最后分析了平均阻力系数和斯特劳哈尔数与来流速度的关系,以期为后续工程研究提供依据。

1　仿真方法及验证

2　仿真结果与分析

3　结束语

　　文中针对特定水下弹道工况下不同来速的弹丸柱体绕流进行了2D数值实验研究,得到如下结论:

　　1)　采用DES可以准确科学的获得圆形弹体水中流场特性,通过与文献中数据相比,DES所得到的结果与文献中数据高度吻合;

　　2)　圆形弹丸绕流,来流速度从25m/s变化到m/s,Cd随着来速的增加而减少,Str随着来流速度的增大而增大。

　　研究结果表明,在一定条件下,增加弹丸在水中的速度,可以减少弹丸在水中的阻力,但此时随速度的增加,会提高弹丸水中涡脱落的频率,需注意弹丸脱落不能接近其固有频率,以免引起共振。文中的研究结果对于弹丸设计有一定的参考价值。不足之处在于文中采用2D模型替代圆柱弹丸,具有一定局限性,后期将开展3D圆柱弹丸水中绕流研究。

参考文献:

[1]　C史里希廷.边界层理论[M].北京:科学出版社,.

[2]　AchenbachE.DistributionofLocalPressureandSkinFrictionaroundaCircularCylinderinCross-FlowuptoRe=5×[J].JournalofFluidMechanics,0,34(4):-.

[3]　李燕玲,苏中地.高雷诺数下单圆柱绕流的DES三维数值模拟[J].中国计量学院学报,,24(4):-.

[4]　KravchenkoAG,MoinP.NumericalStudiesofFlowOveraCircularCylinderatReD=[J].PhysicsofFluids,0,12(2):-.

[5]　邓小兵.不可压缩湍流大涡模拟研究[D].绵阳:中国空气动力研究与发展中心,8.

[6]　SpalartPR,JouWH,StreletsM,etal.CommentsontheFeasibilityofLESforWings,andonHybridRANS/LESapproach[C].[s.l.]:AdvancesinDNS/LES,.

[7]　BreuerM.AChallengingTestCaseforLargeEddySimulation:HighReynoldsNumberCircularCylinderFlow[J].InternationalJournalofHeatFluidFlow,0,21(5):-.

[8]　郝鹏,李国栋,杨兰,等.圆柱绕流流场结构的大涡模拟研究[J].应用力学学报,,29(4):-.

[9]　詹昊,李万平,方秦汉,等.不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算[J].武汉理工大学学报,8,30(12):-.

[10]　祝志文.高Re数圆柱绕流二维RANS模拟适用性分析[J].振动与冲击,,32(7):98-.

(以上内容详见《鱼雷技术》-5期P-)