超空泡航行体入水过程数值模拟研究
摘要
水下超空泡航行体武器能够实现远程突防、精确打击、高效毁伤，具有很高的研
究价值。实际应用中要求其具备水面以上发射的能力，经过跨介质入水过程再打击水
下或水面目标，这就涉及到了航行体跨介质入水问题和水下姿态偏转的问题。同时还
要具有较好的空泡形态和较低的速度损失，因此通常会采用人工通气装置给定主动通
气，这就也涉及到了人工通气超空泡问题。本文采用基于有限体积的数值模拟方法，
通过瞬态多相流场与刚体多自由度运动动力学和运动学方程的耦合，对超空泡航行体
入水过程进行了研究，主要研究内容如下：
采用有限体积法建立了航行体入水模型，从空化和入水运动两个方面将数值模拟
结果与理论、试验结果进行了对比，验证数值方法的准确性。
通过不同网格数量、时间步大小的对比计算确定了适宜的计算参数。对无通气流
量、无空化器倾角的航行体入水过程，从多相流场、压力分布、受力及运动等方面进
行了分析，并根据空泡形态将入水过程分为了空中飞行、锥段入水、柱段入水和完全
入水后四个阶段。结果显示入水过程中空泡经历显著的非稳态变化，航行体受力及运
动情况与沾湿力变化高度相关。
通过分别给定航行体人工通气和空化器倾角，研究了它们对入水及水下航行过程
的影响规律。结果显示空化器倾角能够通过提供抬头力矩改变航行体与空泡的相对位
置，进而改变沾湿区分布、受力分布，实现姿态拉平；人工通气能够显著改善空泡形
态、降低所受载荷、减少速度损失。
通过同时给定不同的人工通气流量、空化器倾角，研究了两参数对入水过程的联
合影响。随着空化器倾角的增加和通气流量的降低，存在受力增加、速度损失增大和
拉平速度加快的整体趋势，且两个参数存在相互增强的现象：空化器倾角越大，通气
流量的影响效果越强；通气流量较小，空化器倾角的影响效果越强。通气流量较大和
较小时，航行体存在两种不同的拉平模式：增角速度拉平模式和周期俯仰式拉平模式，
不同模式下的入水拉平运动呈现出不同特点。最后，通过给定空化器旋转速率，实现
了变空化器条件下的入水拉平，并分析了空化器旋转速率对入水过程的影响，得到了
能够在相应时间内实现入水拉平的旋转速率条件。
关键词：超空泡航行体；入水；人工通气；空化器倾角
I
超空泡航行体入水过程数值模拟研究
Abstract
Underwatersupercavitatingvehicleweaponscanachievelong-rangepenetration,precise
strike,andefficientdamage,andhavehighresearchvalue.Inpracticalapplications,itis
requiredtohavetheabilitytolaunchabovewatersurface.Aftertheprocessofenteringthe
wateracrossthemedium,itcanhitunderwaterorsurfacetargets,whichinvolvestheproblem
ofthevehicleenteringthewateracrossthemediumandtheproblemofunderwaterattitude
deviation.Atthesametime,italsoneedstohavegoodcavitationmorphologyandlow
velocityloss,soartificialventilationdevicesareusuallyusedtoprovideactiveventilation,
whichalsoinvolvestheproblemofartificialven