水下發(fā)射發(fā)射筒注水情況仿真分析*

周笑飛，姜毅，牛鈺森，拜云山，鄧佳

(北京理工大學(xué), 北京 100081)

0 引言

水下發(fā)射過程中，海水在導(dǎo)彈出筒后將倒灌入發(fā)射筒中會(huì)產(chǎn)生水錘效應(yīng)，這一效應(yīng)對(duì)發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響，對(duì)這一過程研究還處于起步階段，相關(guān)研究較少。倪火才[1]曾對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的水錘現(xiàn)象進(jìn)行過理論性的研究，王亞東[2]曾對(duì)筒口氣泡特性進(jìn)行研究，王漢平[3]曾對(duì)潛射過程的后效應(yīng)進(jìn)行分析，這些研究均未涉及到之后發(fā)射筒的注水階段，而發(fā)射筒注水本身是一個(gè)復(fù)雜的汽液兩相流相互作用的過程，有進(jìn)一步研究的必要。由于三維模型在模擬兩相流過程中速度較慢且不穩(wěn)定，以往對(duì)水下發(fā)射過程研究主要采用二維模型[4]，這需要忽略筒蓋對(duì)流場(chǎng)的影響，事實(shí)上筒蓋對(duì)發(fā)射過程、尤其是注水過程流場(chǎng)的流動(dòng)情況影響十分顯著，因此本次仿真對(duì)注水過程建立了三維模型[5]，并添加了筒蓋結(jié)構(gòu)。

本文采用FLUENT軟件進(jìn)行研究，使用了 Mixture 兩相流計(jì)算模型來求解氣液兩相流場(chǎng)，使用了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)以及自主編輯UDF程序，對(duì)注水過程進(jìn)行仿真。下面簡(jiǎn)要介紹仿真結(jié)論。

1 物理模型與計(jì)算模型

1.1 物理模型

本文采用的模型由發(fā)射筒、筒蓋、導(dǎo)彈組成，發(fā)射筒內(nèi)注滿均勻的燃?xì)猓瑢?dǎo)彈初始位置位于筒口，其余流場(chǎng)注滿海水，由于水下存在壓力梯度，因此利用自定義函數(shù)對(duì)海水區(qū)域壓力進(jìn)行賦值，利用UDF對(duì)邊界壓力進(jìn)行賦值。仿真過程由導(dǎo)彈從筒口[6]初始位置向上運(yùn)動(dòng)開始，動(dòng)網(wǎng)格采用UDF進(jìn)行編程，速度為實(shí)驗(yàn)中得到的導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)速度。導(dǎo)彈向上運(yùn)動(dòng)，最終離開水面；發(fā)射筒內(nèi)外的氣、液兩相相互作用，產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。圖1～4分別為筒部網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)射筒蓋網(wǎng)絡(luò)模型，海水計(jì)算網(wǎng)絡(luò)及拼接后整體模型示意圖。

圖1 筒部網(wǎng)格模型Fig.1 Mesh of the launch tube

圖2 發(fā)射筒蓋網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh of the launch tube cover

圖3 海水計(jì)算域網(wǎng)格Fig.3 Mesh of the water area

計(jì)算時(shí)利用FLUENT將幾部分模型拼接在一起進(jìn)行計(jì)算，為了今后對(duì)不同彈徑、開蓋角度、發(fā)射深度進(jìn)行更細(xì)致的研究，因此在建模初期對(duì)模型采用了模塊化處理。

圖4 拼接后整體模型示意圖Fig.4 Overall model after stitching

1.2 計(jì)算模型

仿真過程中，采用有限體積法[7]對(duì)流場(chǎng)的控制方程進(jìn)行離散化處理；氣液兩相流的流場(chǎng)采用 Mixture 多相[8]流模型進(jìn)行求解；湍流模型選用 RNGk-ε模型[9]；

(1)

(2)

壁面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；網(wǎng)格采用動(dòng)態(tài)分層法進(jìn)行更新[10]。

在一些研究空泡[11]問題的文章中，汽化模型非常重要，但本文并不關(guān)注彈頭位置的汽化作用，且研究過程中發(fā)現(xiàn)，所處位置壓力越大(水深越深)，海水越難以汽化。由于工質(zhì)氣體與海水作用位置壓力較大，汽化對(duì)水下發(fā)射的后效應(yīng)及注水過程影響較小，不影響流場(chǎng)的流動(dòng)特性，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文并未使用汽化模型。

2 仿真結(jié)果與比較

導(dǎo)彈按給定速度向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)彈尾部氣體被抽吸形成尾部氣泡，隨著導(dǎo)彈向上運(yùn)動(dòng)，尾部氣泡逐漸拉長(zhǎng)、并最終被拉斷，現(xiàn)象與以往對(duì)發(fā)射后效應(yīng)的研究結(jié)果一致。由于筒蓋的影響，導(dǎo)彈尾部的空泡具有明顯的不對(duì)稱性。

各體積分?jǐn)?shù)云圖(圖5)中，紅色為氣體，藍(lán)色代表海水，過渡顏色為氣、液相組分相混合。

圖5 發(fā)射筒口空泡氣體體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.5 Gas volume fraction cloud map of the launch tube

水下氣泡斷裂后，由于筒蓋造成的影響，使得海水沿筒蓋流入筒中。

海水注入發(fā)射筒后，產(chǎn)生第1道水錘效應(yīng)。觀察可知，水錘效應(yīng)發(fā)生時(shí)，并未出現(xiàn)大量海水集中作用在發(fā)射筒底部。倪火才認(rèn)為水錘效應(yīng)是由于海水的沖擊以及壓縮海水隨之產(chǎn)生的壓縮波共同作用形成的，但仿真結(jié)果表明，海水能否大量直接撞擊筒底和發(fā)射深度以及筒內(nèi)平均壓力有很大關(guān)系。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水錘效應(yīng)主要產(chǎn)生的原因是海水在注入發(fā)射筒過程壓縮筒內(nèi)殘留的工質(zhì)氣體所產(chǎn)生的壓縮波，這些壓縮波相互疊加，最終到達(dá)發(fā)射筒底部形成水錘效應(yīng)。

空泡斷裂后氣體體積分?jǐn)?shù)云圖如圖6所示；筒內(nèi)注水置達(dá)到最大時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖如圖7所示。

圖6 空泡斷裂后氣體體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.6 Gas volume fraction cloud map after the vacuoles fracture

圖7 筒內(nèi)注水量達(dá)到最大時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.7 Gas volume fraction cloud map of the max water in launch tube

通過仿真得到第1個(gè)周期內(nèi)筒內(nèi)壓力與注水量數(shù)據(jù)，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，進(jìn)行如下分析。實(shí)驗(yàn)得到的全階段水錘作用圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)得到的全階段水錘作用圖Fig.8 Experiment result of water hammer’s full-stage mechanism

圖9 仿真得到的水錘作用第一周期筒底壓力與注水量圖Fig.9 Pressure and water injection of the first water hammer cycle at the bottom of the launch tube

觀察筒底壓力曲線和注水量曲線(圖9)可以發(fā)現(xiàn)：t0～t1時(shí)間段內(nèi)，海水受重力作用注入發(fā)射筒后，壓縮筒內(nèi)氣體，形成壓縮波沖擊筒底，形成水錘效應(yīng)；t1～t2時(shí)間段內(nèi)，壓縮波撞擊筒底后反彈[12]，此時(shí)壓縮波還未到達(dá)注入筒內(nèi)海水的位置，筒內(nèi)氣體繼續(xù)被壓縮，海水繼續(xù)注入發(fā)射筒；t2～t3時(shí)間段內(nèi)，筒內(nèi)氣體被壓縮后壓力增大，壓縮波在開口端反射為膨脹波，筒內(nèi)氣體開始膨脹并將本已注入發(fā)射筒內(nèi)的海水再次擠出發(fā)射筒，部分工質(zhì)氣體在這一過程中排出發(fā)射筒；t3～t4時(shí)間段內(nèi)，膨脹波在筒底反射，氣體繼續(xù)膨脹，氣體壓力進(jìn)一步減小，海水繼續(xù)向筒外排出。此后筒底壓力和注水量將按此規(guī)律變化，變化過程中，由于能量損失以及氣體、海水壓力差不斷減小，水錘能量不斷減小，水錘峰值不斷降低。

對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符度高，可以認(rèn)為仿真結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)發(fā)射筒欠水過程進(jìn)行分析，并與類似實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證了仿真的可靠性與可行性。

(2) 通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，得出水錘現(xiàn)象的主要成因是由于海上壓縮筒內(nèi)剩余氣體產(chǎn)生的壓縮波撞擊筒底引起的。

(3) 在發(fā)射筒注水過程中，筒底的壓力先上升后下降，出現(xiàn)明顯的水錘現(xiàn)象。

(4) 發(fā)射筒注水過程的第1個(gè)周期中，注水量也呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象，這是由于筒內(nèi)產(chǎn)生膨脹波將已經(jīng)注入筒內(nèi)海水?dāng)D壓出筒外引起的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 倪火才.潛載導(dǎo)彈水下垂直發(fā)射時(shí)的“水錘”壓力研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2000，1(1):46-49.

NI Huo-cai. Research on Water Hammer Pressure of the Underwater Vertical Launch[J].Science and Technology of Ship, 2000，1(1):46-49.

[2] 王亞東,袁緒龍,覃東升.導(dǎo)彈水下發(fā)射筒口氣泡特性研究[J].兵工學(xué)報(bào),2011，32(8):991-995.

WANG Ya-dong, YUAN Xu-long, QIN Dong-sheng. Research on the Outlet Cavity Features during the Launch of Submarine Launched Missile[J].Acta Armamentaria, 2011，32(8):991-995.

[3] 王漢平,吳友生,程棟,等. 潛射模擬彈彈射后效分析[J].船舶力學(xué),2010，14(10):1122-1128.

WANG Han-ping,WU You-sheng, CHENG Dong, et al.Analysis of Ejection After-Effect for Underwater Launched Emulating Missile[J]. Joumal of Ship Mechanics,2010，14(10):1122-1128.

[4] 侯金瑛, 譚大成, 畢世華. 導(dǎo)彈水下發(fā)射裝置內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30(3):119-121.

HU Jin-ying , TAN Da-cheng , BI Shi-hua. A Numerical Research on Interior Flow for Underwater Launched Missile[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance，2010，30(3):119-121.

[5] 楊曉光. 潛射導(dǎo)彈水下發(fā)射及出水過程三維數(shù)值研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

YANG Xiao-guang. 3D Numerical Simulation on the Process of The Missile Underwater Launching and Exiting from Water[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2009.

[6] 王漢平，吳菊華. 基于CFD的潛射導(dǎo)彈簡(jiǎn)口壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)[J].彈道學(xué)報(bào)，2008,20(4):73-77.

WANG Han-ping，WU Ju-hua. Forecast of Pressure Field Near Launch Canister Outlet for Underwater-launched Missile Based on CFD[J]. Journal of Ballistics, 2008,20(4):73-77.

[7] 李人憲.有限體積法基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

LI Ren-xian. The Basis of the Finite Volume Method[M].Beijing:National Defence Industry Press,2005.

[8] MANNINEN M, TAIVASSALO V, KALLIO S. On the Mixture Model for Multiphase Flow[R]. VTT Publications 288, Technical Research Centre of Finland, 1996.

[9] YAKHOT V, ORSZAG S A. Renormalization Group Analysis of Turbulence: I.Basic Theory[J]. Journal of Scientific Computing, 1986, 1(1):1-51.

[10] 郝繼光,姜毅,韓書永,等.一種新的動(dòng)網(wǎng)格更新方法及其應(yīng)用[J].彈道學(xué)報(bào),2007,19(2):88-92.

HAO Ji-guang, JIANG Yi, HAN Shu-yong, et al. A New Dynamic Mesh Update Method and Its Applications[J]. Journal of Ballistics, 2007, 19(2): 88-92.

[11] 閔景新,魏英杰,王聰,等. 潛射導(dǎo)彈垂直發(fā)射過程流體動(dòng)力特性數(shù)值模擬[J].兵工學(xué)報(bào),2010,31(10):1034-1039.

MIN Jing-xin, WEI Ying-jie, WANG Cong, et al. Numerical Simulation on Hydrodynamic Characteristics of Submarine Missile in the Vertical Launch Process[J].Acta Armamentaria, 2010,31(10):1034-1039.

[12] 王保國(guó),劉淑艷,黃偉光.氣體動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2005：267-271.

WANG Bao-guo, LIU Shu-yan, HUANG Wei-guang.Gas dynamics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2005:267-271.