超空泡航行体出水过程数值模拟研究
摘要
对于航行体的出水问题，以往的研究聚焦在低速航行体的垂直出水和倾斜出水，缺
少对超空泡航行体出水问题的研究。实际上，超空泡航行体的出水是一个极其复杂的过
程，伴随着多相流、空化、相变、湍流不稳定性，航行体所受的作用力呈现强的非定常、
非线性效应。因此，研究超空泡航行体的出水过程，对于新型潜射武器的设计具有指导
意义。本文采用数值模拟的方法，对超空泡航行体的水下运动和出水过程进行研究。
基于STAR-CCM+软件，采用重叠网格技术进行网格划分，使用VOF模型捕捉气
液交界面，Schnerr-Sauer模型描述弹体周围的空化过程，建立了弹体出水过程的数值计
算模型。进行了数值计算方法的有效性验证，进行了时间步长无关性验证和网格大小无
关性验证。
对超空泡航行体在不同航行条件（初始速度、初始水深、通气质量流量）下的出水
过程进行仿真计算，得到了不同工况下的流场和空泡演化规律，分析了超空泡航行体的
流体动力特性与运动特性。仿真结果表明，不同初始运动速度的弹体其水下运动呈现出
两种不同的模式。不同水深下，初始空化数不同，水深越深，弹体越难出水。加大通气
流量可以有效地改善空泡形态。
对不同结构（长径比、空化器角度、空化器直径）的弹体出水过程进行了仿真计算，
得到了不同工况下弹体的受力情况、运动姿态、空泡形状、出水位置和出水角度的变化
规律。仿真结果表明，长径比越小，弹体在水下运动越不稳定。增大空化器倾角，空泡
不对称性增加，弹体出水时间减小。不同空化器直径的弹体，其水下运动规律明显不同。
研究了空化器倾角连续增加和减小对航行体出水过程的影响。描述典型工况下航行
体出水过程中空泡的形成和演变过程，重点分析不同工况下航行体出水过程的动力学参
数变化。
关键词：超空泡；出水；数值模拟；动力学特性
I
超空泡航行体出水过程数值模拟研究
Abstract
Forthewaterexitproblemofthevehicles,previousstudieshavefocusedonthevertical
andobliquewaterexitofthelow-speedvehicles,andlackedresearchonthewaterexitof
supercavitatingvehicles.Infact,theexitofsupercavitatingvehiclesisanextremelycomplex
process,accompaniedbymultiphaseflow,cavitation,phasetransition,turbulentinstability,and
theforcesonthevehicleshowstrongunsteadyandnonlineareffects.Therefore,studyingthe
waterexitprocessofsupercavitatingvehicleshasguidingsignificanceforthedesignofnew
submarine-launchedweapons.Inthispaper,numericalsimulationisusedtostudythe
underwatermovementandexitprocessofsupercavitatingvehicles.
BasedontheSTAR-CCM+software,theoverlappinggridtechnologyisusedformeshing,
theVOFmodelisusedtocapturethegas-liquidinterface,theSchnerr-Sauermode