水下航行體流體阻尼力系數(shù)的CFD計算研究

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1、2016年第1期導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)No.12016總第343期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo.343文章編號：1004-7182(2016)01-0066-05DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160115水下航行體流體阻尼力系數(shù)的CFD計算研究尤天慶，王占瑩，程少華，穆洲，鮑文春（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）摘要：水下航行體流體阻尼力關(guān)系到彈道的穩(wěn)定性和操縱性，當航行體以較大角速度機動時阻尼力更是不可忽略，因此準確預(yù)示航行體流體阻尼力具有重要意義。以計算流體動力學(xué)（Computa

2、tionalFluidDynamic，CFD）方法為基礎(chǔ)，結(jié)合動網(wǎng)格和動坐標系技術(shù)，進行基于雷諾平均N-S方程的阻尼力計算方法研究，發(fā)展針對水下航行體附加力系數(shù)和俯仰阻尼力矩系數(shù)的數(shù)值計算方法，通過與試驗數(shù)據(jù)對比表明，該方法具有較好精度，在此基礎(chǔ)上分析了空化現(xiàn)象對流體阻尼力系數(shù)的影響。關(guān)鍵詞：計算流體動力學(xué)；水下航行體；流體阻尼力；空化中圖分類號：O351.2文獻標識碼：ACFDResearchonUnderwaterVehicleHydrodynamicDampingForceCoefficientYouTian-qing,WangZhan-ying

3、,ChengShao-hua,MuZhou,BaoWen-chun(BeijingInstituteofAerospaceSystemEngineering,Beijing,100076)Abstract:Underwatervehiclehydrodynamicdampingforceiscrucialtotrajectorystabilityandmaneuverability,especiallyforthevehiclewithhighanglevelocity,thustheaccuratepredictionofhydrodynamicda

4、mpingforceisimportant.BasedontheCFDmethod,ReynoldsaveragedN-Sequationsbasedhydrodynamicdampingforcecalculationresearchisconducted.Combiningwithdynamicmeshandrotatingreferenceframes,PitchDampingForcecoefficientcalculationmethodsareintroduced.Comparedwithexperimentresult,thevalidi

5、tyandaccuracyisproofed.Furthermore,theeffectofcavitationisdiscussed.Keywords:ComputationalFluidDynamics;Underwatervehicle;Hydrodynamicdampingforce;Cavitation0引言阻尼力更是不可忽略，因此阻尼力計算在水動力設(shè)計潛射導(dǎo)彈、魚雷、水雷和潛艇等水下航行體在水中有非常重要的作用。下運動過程中所受的流體力為彈道或控制系統(tǒng)的主要目前，無論是氣動力還是水動力，針對流體阻尼輸入?yún)?shù)，關(guān)系到航行體彈道穩(wěn)定性、操控性或

6、航程力的計算主要有工程估算、試驗以及計算流體力學(xué)等總體參數(shù)，是各類型航行體設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。航行（ComputationalFluidDynamic，CFD）等方法。其中，體所受流體動力主要取決于流場性質(zhì)、航行體流體動工程估算方法計算速度快但精度較差，只能作為初步[5]力外形以及相對流體的運動，迄今為止，還難以用理估算；試驗所得的數(shù)據(jù)較精確，但周期長、費用高；論計算或模型試驗的方法直接得到包含上述所有因素CFD計算方法比勢流理論更具從理論到工程實踐的可的總流體動力，只能在各種假設(shè)和簡化下，把流體動擴展性，比試驗方法更容易實現(xiàn)，成本低。力分解成若干部分，分

7、別由計算或試驗的手段獲得，近年來，隨著CFD及計算機技術(shù)發(fā)展，基于N-S[1]然后綜合成總流體動力。通常在航行體設(shè)計過程中，方程求解流體阻尼力取得一定的發(fā)展。在氣動力計算將流體動力分為位置力、阻尼力和慣性力3個部分。方面，分別采用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)求解方法計算飛行器在[6]航行體以一定速度作平移運動的同時，還作旋轉(zhuǎn)運動，空氣中飛行的流體阻尼力。其中，穩(wěn)態(tài)求解的方法即[2]由旋轉(zhuǎn)運動而產(chǎn)生的流體力增量為阻尼力。流體動力通過改造N-S方程，在方程中加入慣性力源項以求解中阻尼力（如俯仰阻尼力矩、附加力等）關(guān)系到航行勻速圓周運動飛行器受力情況，得到飛行器的定常拉[3

8、，4][7，8]體彈道穩(wěn)定性及操縱性，當旋轉(zhuǎn)運動角速度較大時升運動中阻尼力；非穩(wěn)態(tài)求解即計算航