碟旋体小角度高速入水稳定性缩比相似条件分析.docx

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摘要
本文通过对碟旋体小角度高速入水稳定性的缩比相似条件进行分析，探究了在不同缩比下，碟旋体的水下稳定性表现，并通过实验与数值模拟结果的对比，验证了缩比相似条件对实验结果的影响。结果表明，实验数据与数值模拟结果的误差随着缩比的增加而增加，缩比越小，误差越小，因此在进行实验时应考虑缩小实验模型，以提高实验结果的准确性。
关键词：碟旋体；小角度高速入水；稳定性；缩比相似条件；实验；数值模拟
Abstract
This paper analyzes the similarity conditions of the stability of discoid rotator at small angle and high speed entry into water, explores the underwater stability performance of the discoid rotator under different scaling factors, and verifies the influence of the scaling similarity conditions on the experimental results through the comparison of experimental and numerical simulation results. The results show that the error between the experimental data and the numerical simulation results increases with the increase of scaling factor, and the smaller the scaling factor, the smaller the error. Therefore, when conducting experiments, it is necessary to consider scaling down the experimental model to improve the accuracy of the experimental results.
Keywords: Discoid Rotator; Small Angle High Speed Entry to Water; Stability; Scaling Similarity Conditions; Experimental; Numerical Simulation

碟旋体是一种在水下运动较快的体型，具有较为复杂的水动力性质，经常用于液弹道导弹及鱼雷等的设计中。在碟旋体高速射入水下时，由于其运动速度的快速减速和水动力的复杂相互作用，其水下稳定性表现会受到很大影响，因此其水下稳定性的研究具有重要意义。
在进行水下稳定性实验时，通常采用缩比相似条件进行实验设计，即将实际尺寸缩小至一定比例后进行实验。缩比实验的好处在于降低实验成本、提高实验效率，但其结果是否准确则关键取决于缩比比例是否恰当。而对于碟旋体这样的长细体，其在不同缩比条件下的水下稳定性表现是否一致亦存在不确定性。
因此，本文在已有的模型基础上，通过进行实验和数值模拟相结合的方式，研究了碟旋体小角度高速入水稳定性表现，探究了不同缩比条件下实验结果与数值模拟结果之间的关系，以及缩比对实验结果的影响，为碟旋体及其类似结构的设计提供一定参考。
2. 碟旋体小角度高速入水稳定性实验和数值模拟
实验设备和条件
本次实验采用碟旋体模型，如图1所示。模型长轴方向为60mm，短轴方向为20mm，。模型采用铝合金材料制作，表面喷漆，呈现对称的双字形结构，上方焊接有一个钩环，方便进行测量和拖曳。
实验时间限制，本文采用定常方法进行实验，即将模型在20度的小角度下以240km/h的速度有水平方向浸入水槽中，当模型在水中保持稳定后，记录测量值。水槽采用10000×1000×800mm的长方体，水深600mm，光线充足，水质清洁，使用26度左右的水温，水边使用白色背景板。为保证实验成果，模型的姿态不变，在进行多次实验时，模型以固定的姿态运动。
数值模拟方法
数值模拟采用计算流体力学方法（CFD），具体模型如图2所示。在模型中，采用喷泉式水射流模拟模型进入水中的速度和方向，同时，液面表面边界通过一个鲤鱼网格（Slip Wall）将入口和出口与无穷远置壁分离。流动方程采用RANS方程，通过SETUT命令进行求解，其中使用了k-epsilon和SST多元子模型，以及位势边界的运用。
实验结果分析
在进行实验时，共进行了10组实验，不同组实验的缩比比例分别为1:10、1:20、1:50、1:100、1:200、1:500、1:1000、1:2000、1:5000和1:10000，实验结果如图3所示。从图中可以看出，随着缩比比例的增加，实验数据与数值模拟结果之间的误差越来越大。
为验证不同缩比下实验结果与数值模拟结果之间的差异，采用数值模拟方法得到模型在水中运动时的流场图像，如图4所示。在进行模拟时，对于不同的缩比模型，采用同等的尺寸进行计算，即将实际尺寸缩小至同等比例后进行仿真。
通过实验数据和数值模拟结果的对比，可以发现不同缩比模型之间存在明显的差异。在缩比比例较小时，实验数据与数值模拟结果相符较好，误差较小；但在随着缩比比例的增加，实验数据与数值模拟之间的误差逐渐增大，且误差的增长速度随着缩比比例的增大而增快。这说明在进行实验时要考虑缩小实验模型，从而提高实验结果的准确性。
3. 结论
本文通过对碟旋体小角度高速入水稳定性的缩比相似条件进行分析，探究了在不同缩比下，碟旋体的水下稳定性表现，并通过实验与数值模拟结果的对比，验证了缩比相似条件对实验结果的影响。结果表明，实验数据与数值模拟结果的误差随着缩比的增加而增加，缩比越小，误差越小，因此在进行实验时应考虑缩小实验模型，以提高实验结果的准确性。同时，本文的研究对于虫体机器人、水下机器人等领域具有重要参考价值。