假海試驗(yàn)設(shè)施復(fù)雜內(nèi)流場(chǎng)仿真

董明陽(yáng)，王　云，段　浩

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

假海試驗(yàn)設(shè)施復(fù)雜內(nèi)流場(chǎng)仿真

董明陽(yáng)，王云，段浩

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

為了詳細(xì)、直觀、準(zhǔn)確地描述發(fā)射過程中空氣渦輪泵發(fā)射裝置在假海試驗(yàn)設(shè)施內(nèi)部流場(chǎng)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)分布，建立了在發(fā)射試驗(yàn)過程中假海試驗(yàn)設(shè)施內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用Fluent的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)該模型進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果顯示了假海試驗(yàn)過程中各個(gè)階段的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布情況，為試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。依照仿真結(jié)果對(duì)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象做出解釋。根據(jù)假海內(nèi)部流場(chǎng)的仿真結(jié)果對(duì)流場(chǎng)的恢復(fù)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為連續(xù)發(fā)射時(shí)間間隔的確定提供理論依據(jù)。

空氣渦輪泵發(fā)射裝置； 假海； 內(nèi)流場(chǎng)； 壓力場(chǎng)； 速度場(chǎng)； 動(dòng)網(wǎng)格

0　引言

假海試驗(yàn)設(shè)施是支撐大深度雷彈發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)試驗(yàn)設(shè)施的主要組成部分，可以將不同口徑、多種類型發(fā)射系統(tǒng)集成在一個(gè)假海中，為水下多種武器發(fā)射提供大深度模擬水深的發(fā)射試驗(yàn)環(huán)境。通過假海試驗(yàn)設(shè)施可進(jìn)行諸多發(fā)射裝置研發(fā)過程中必不可少的相關(guān)試驗(yàn)研究，相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果及時(shí)反饋到研制過程中，可以提高發(fā)射裝置可靠性和安全性，有效降低系泊試驗(yàn)、實(shí)航試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短研制周期。

對(duì)假海試驗(yàn)設(shè)施內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，可以得到發(fā)射過程中假海筒體內(nèi)部流場(chǎng)的壓力、速度分布以及波動(dòng)情況，同時(shí)還可以探究假海試驗(yàn)設(shè)施內(nèi)的流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)發(fā)射裝置性能測(cè)試的影響，為發(fā)射裝置的性能測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考，使試驗(yàn)設(shè)計(jì)更加合理、準(zhǔn)確。文中以空氣渦輪泵發(fā)射裝置在假海試驗(yàn)設(shè)施上的發(fā)射試驗(yàn)過程為研究對(duì)象［1］，建立相應(yīng)的流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，利用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值仿真［2-3］。

1　模型的建立

假海內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)主要有以下特點(diǎn)： 一是從武器發(fā)射過程來看，整個(gè)假海設(shè)施在水平面內(nèi)上下對(duì)稱，由于受導(dǎo)軌的束縛，魚雷的運(yùn)動(dòng)軌跡一直保持在穿過中心線的水平面內(nèi)。由于武器在水中的負(fù)浮力較小，加之武器的運(yùn)動(dòng)被約束在導(dǎo)軌架內(nèi)，為了便于研究，可以忽略重力的影響，從而將其簡(jiǎn)化為2D流動(dòng)模型； 其次，假海內(nèi)部的流體流動(dòng)是在一個(gè)循環(huán)封閉的系統(tǒng)中進(jìn)行的，由于混流泵有良好的敞水性能，在此忽略水泵葉片對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用，水泵在整個(gè)假海中可視作暢通的流道?？諝鉁u輪泵發(fā)射裝置在其中起動(dòng)力源作用，因此可將水泵的入口、出口作為整個(gè)模型閉環(huán)的初始、終端邊界條件。

假海筒體內(nèi)部流體的流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律，根據(jù)這些定律可以建立相應(yīng)的假海筒體內(nèi)部流體的納維-斯托克斯方程［4］。

1.1不可壓納維-斯托克斯方程

將假海筒體內(nèi)流體均視為不可壓縮流體，忽略流體溫度變化，其運(yùn)動(dòng)方程滿足如下形式的納維-斯托克斯方程

該不可壓形式的納維-斯托克斯方程是從標(biāo)準(zhǔn)的可壓納維-斯托克斯方程得到的。將標(biāo)準(zhǔn)方程中的密度令為常數(shù)，再經(jīng)過一定過程的推導(dǎo)就可以得到如上所示的不可壓納維-斯托克斯方程。

式（1）中： u，v，w，p為待求解流場(chǎng)變量，分別表示流場(chǎng)在x方向（發(fā)射管軸線方向）、y方向、z方向的速度以及壓力（y，z與x構(gòu)成符合右手定則坐標(biāo)系）； ρ，fx，fy，fz為已知量，分別表示流場(chǎng)內(nèi)流體密度以及流體質(zhì)量力在x，y，z方向上的分力。對(duì)上述方程求解的目的就是為了得到隨時(shí)間t以及位置坐標(biāo)x，y，z變化時(shí)，u，v，w，p的變化情況，從而得到整個(gè)流場(chǎng)的速度、壓力分布。

納維-斯托克斯方程比較準(zhǔn)確地描述了實(shí)際的流動(dòng)，由于其形式較為復(fù)雜，實(shí)際上只有極少情況可以求出精確解，故選擇通過數(shù)值仿真來求解。

1.2魚雷彈道模型

魚雷在發(fā)射過程中主要受到重力、迎面阻力、管壁摩擦力、尾部推力［5］影響，其受力如圖1所示。

圖1　魚雷發(fā)射過程中的受力情況Fig. 1　Force schematic on a torpedo during launching process

把運(yùn)動(dòng)的海水與魚雷視為一個(gè)整體，根據(jù)牛頓第二定律，其運(yùn)動(dòng)方程為

式中： m為魚雷及其附著水質(zhì)量； PT為魚雷尾部壓力； PH為魚雷頭部壓力，即外部海水靜壓；Cx為迎面阻力系數(shù)； S為魚雷浸濕面積； μq為管壁摩擦力； ρ為流體（水）密度； VT為當(dāng)前時(shí)刻魚雷速度； t為發(fā)射過程中的時(shí)間。

魚雷出管后在假海筒體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程中主要受力為導(dǎo)軌摩擦力、迎面阻力、水的粘性阻力等； 魚雷在進(jìn)入回收管的運(yùn)動(dòng)過程中受力為魚雷前后壓差阻力、迎面阻力、管壁摩擦力、水的粘性阻力等。

1.3假海試驗(yàn)設(shè)施模型

鑒于假海試驗(yàn)設(shè)施上下對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，以假海筒體中心水平切面為研究對(duì)象，建立2D模型。假海試驗(yàn)設(shè)施整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，文中對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其模型如圖2所示（俯視圖）。其中左下角連接2根大小管道的圓形裝置為空氣渦輪泵發(fā)射裝置的水泵，簡(jiǎn)化后視水泵為可流通管道，將水泵的出口作為假海模型的入口邊界條件、水泵入口作為假海模型的出口邊界條件。對(duì)水泵作簡(jiǎn)化后模型如圖3所示。根據(jù)流體的連續(xù)性方程，可得假海模型的入口、出口的質(zhì)量流量是一致的。

2　流場(chǎng)數(shù)值仿真

2.1網(wǎng)格劃分

對(duì)圖3所示的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可得到其網(wǎng)格模型。在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于發(fā)射管與魚雷之間的間隙很小，尤其是水密環(huán)處，不宜進(jìn)行均勻劃分。因此，文中采用了劃分混合網(wǎng)格的方法，網(wǎng)格模型如圖4所示。計(jì)算中生成的網(wǎng)格數(shù)約為11萬(wàn)個(gè)。

圖2　假海試驗(yàn)設(shè)施2D模型Fig. 2　Two-dimensional model of false sea test facility

圖3　簡(jiǎn)化后假海2D模型Fig. 3　Simplified two-dimensional model of false sea test facility

圖4　假海模型網(wǎng)格生成圖Fig. 4　Mesh of false sea test facility

2.2動(dòng)網(wǎng)格原理

在Fluent中，除了動(dòng)網(wǎng)格功能能夠描述計(jì)算區(qū)域瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)外，還有滑移網(wǎng)格能描述計(jì)算區(qū)域的運(yùn)動(dòng)?；凭W(wǎng)格最大的優(yōu)點(diǎn)就是在計(jì)算區(qū)域的運(yùn)動(dòng)過程中，網(wǎng)格能一直保持很高的質(zhì)量，避免了因?yàn)閯?dòng)網(wǎng)格更新過程中網(wǎng)格質(zhì)量差導(dǎo)致數(shù)值解誤差較大的后果。

由于在假海模型中安裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌將魚雷的運(yùn)動(dòng)軌跡約束為僅沿軸線方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)魚雷兩側(cè)間隙非常?。ㄓ绕涫撬墉h(huán)處），如果采用網(wǎng)格重構(gòu)法進(jìn)行網(wǎng)格的更新可能很難保證網(wǎng)格質(zhì)量。因此，為了保證魚雷運(yùn)動(dòng)過程中較高的網(wǎng)格質(zhì)量，文中綜合采用滑移網(wǎng)格［5］和動(dòng)網(wǎng)格鋪層法實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)仿真的動(dòng)網(wǎng)格處理。

2.3數(shù)值仿真

為了更真實(shí)地對(duì)假海筒體內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真，將試驗(yàn)中所獲得的魚雷速度數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合后作為該仿真中魚雷的速度輸入。同時(shí)將試驗(yàn)中采集的渦輪泵出口處產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)作為該仿真的邊界條件，并將假海內(nèi)環(huán)境壓力設(shè)置為0.3 MPa （即30 m水壓）。借用的魚雷速度曲線、水泵的拋射壓力輸出曲線分別如圖5、圖6所示［6］。

圖5　速度曲線Fig. 5　Curve of velocity curve versus time

圖6　壓力曲線Fig. 6　Curve of pressure versus time

初始化模型并進(jìn)行仿真計(jì)算。為了更好地觀察流場(chǎng)隨著魚雷運(yùn)動(dòng)的變化，可在計(jì)算開始之前設(shè)置相關(guān)流場(chǎng)參數(shù)的動(dòng)畫以方便觀測(cè)整個(gè)過程流場(chǎng)變化情況。計(jì)算收斂后，分別保存模型和計(jì)算結(jié)果。

3　仿真結(jié)果及分析

Fluent中提供的后處理功能，用以對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理，也可以用可視化的方法對(duì)流場(chǎng)的空間分布予以顯示。由于該流場(chǎng)仿真屬于非定常流動(dòng)，需要對(duì)幾個(gè)特定流場(chǎng)進(jìn)行分析，因此將各個(gè)典型時(shí)刻的流場(chǎng)圖片分別提取進(jìn)行分析。

3.1仿真結(jié)果

圖7～圖18為通過仿真得到的在發(fā)射試驗(yàn)過程中各個(gè)時(shí)刻的流場(chǎng)分布。

圖7　壓力云圖(t=0.66 s)Fig. 7　Contour of pressure when time is 0.66 s

圖8　速度云圖(t=0.66 s)Fig. 8　Contour of velocity when time is 0.66 s

圖9　壓力云圖(t=0.92 s)Fig. 9　Contour of pressure when time is 0.92 s

圖10　速度云圖(t=0.92 s)Fig. 10　Contour of velocity when time is 0.92 s

圖11　壓力云圖(t=1.3 s)Fig. 11　Contour of pressure when time is 1.3 s

圖12　速度云圖(t=1.3 s)Fig. 12　Contour of velocity when time is 1.3 s

圖13　水密環(huán)處壓力云圖(t=0.66 s)Fig. 13　Contour of pressure around watertight ring when time is 0.66 s

圖14　魚雷頭部區(qū)域壓力云圖(t=1.3 s)Fig. 14　Contour of pressure around the head of torpedo when time is 1.3 s

圖15　速度云圖(t=3.2 s)Fig. 15　Contour of velocity when time is 3.2 s

圖16　壓力云圖(t=5.82 s)Fig. 16　Contour of pressure when time is 5.82 s

圖17　速度云圖(t=5.82 s)Fig. 17　Contours of velocity when time is 5.82 s

圖18　速度矢量圖(t=5.82 s)Fig. 18　Diagram of velocity vector when time is 5.82 s

3.2結(jié)果分析

從0.66 s和0.92 s時(shí)刻的壓力云圖可以看出，水泵產(chǎn)生的壓力從水泵出口處到魚雷尾部逐級(jí)遞減，且在流體從后端管道進(jìn)入發(fā)射管的過程中，由于注疏水閥的作用導(dǎo)致流動(dòng)過程中產(chǎn)生了較大的壓力損失。魚雷進(jìn)入假海筒體內(nèi)對(duì)流體產(chǎn)生了瞬間擠壓作用，筒體內(nèi)壓力瞬間上升。從水密環(huán)處的壓力分布云圖可以看出，渦輪泵輸入的壓力在水密環(huán)處迅速降至環(huán)境壓力以下，即產(chǎn)生了負(fù)壓。在距離水密環(huán)較遠(yuǎn)的地方，壓力又逐漸恢復(fù)到假海筒體內(nèi)環(huán)境壓力。從水密環(huán)兩端明顯的壓降可以說明水密環(huán)的存在可以減少渦輪泵輸入壓力的損失，有利于魚雷充分加速。

根據(jù)各個(gè)時(shí)刻流場(chǎng)速度云圖顯示，在發(fā)射過程開始階段，水流只是在管道和靠近管道的區(qū)域循環(huán)，假海內(nèi)遠(yuǎn)離管道區(qū)域的流動(dòng)不明顯。隨著發(fā)射過程的推進(jìn)，流場(chǎng)波動(dòng)逐漸蔓延至整個(gè)筒體?？梢悦黠@看出，筒體內(nèi)流體對(duì)筒體右側(cè)（循環(huán)水道所在的一側(cè)）沖擊遠(yuǎn)強(qiáng)于左側(cè)，這是由于循環(huán)水道位于筒體右側(cè)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)造成的。從圖16所示的壓力云圖可以看出，當(dāng)魚雷停止運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，大部分區(qū)域均已恢復(fù)至環(huán)境壓力，但由于漩渦（如圖17、圖18所示）的原因，假海筒體后方區(qū)域出現(xiàn)了較大的低壓區(qū)，漩渦產(chǎn)生的載荷導(dǎo)致筒體右側(cè)有較大的高壓分布區(qū)域。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，流體對(duì)筒體右側(cè)的持續(xù)沖擊可能會(huì)對(duì)筒體右側(cè)產(chǎn)生疲勞損傷，為了保證試驗(yàn)的長(zhǎng)期正常進(jìn)行，對(duì)假海筒體右側(cè)嘗試進(jìn)行加強(qiáng)是延遲假海使用壽命的一種方法，同時(shí)確保假海基座的穩(wěn)定堅(jiān)固。從圖12還可以看出，魚雷在假海內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，筒體內(nèi)流體的流動(dòng)很劇烈，尤其在魚雷右側(cè)，通過圖16所示的魚雷右側(cè)流場(chǎng)速度矢量圖可以看出，魚雷右側(cè)形成了大強(qiáng)度的漩渦，在魚雷右側(cè)產(chǎn)生了比較大的壓力，會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)導(dǎo)軌受力不一致。此外，魚雷右側(cè)的壓力波動(dòng)引起魚雷和導(dǎo)軌之間摩擦力的變化，使魚雷運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生速度震蕩，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。

通過觀察各個(gè)時(shí)刻壓力云圖分布發(fā)現(xiàn)，假海筒體后端（靠近發(fā)射管一端）左側(cè)壓力波動(dòng)較小，相對(duì)穩(wěn)定，可作為試驗(yàn)中傳感器的布置位置，這有利于提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，減小干擾。

魚雷在3.72 s時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，圖16、圖17為魚雷停止運(yùn)動(dòng)約2.1 s后假海內(nèi)部流場(chǎng)分布情況。從該時(shí)刻的速度云圖可以看出，除了循環(huán)水道出口左側(cè)有局部漩渦導(dǎo)致速度較高外，其他地方的最高速度已降至3 m/s以下，而發(fā)射過程中流場(chǎng)局部速度最高達(dá)到20 m/s，因此可認(rèn)為現(xiàn)在筒體內(nèi)大部分區(qū)域的速度已降到發(fā)射過程中最大速度的15%以下。仿真結(jié)果還可以指導(dǎo)試驗(yàn)方案的制定，比如，2次發(fā)射間隔時(shí)間的確定。在規(guī)定了最大允許的殘余速度下，根據(jù)上述的仿真結(jié)果便可確定相應(yīng)的間隔時(shí)間。比如，若以筒體內(nèi)水流速度普遍降低到最大峰值的15%以下作為可進(jìn)行第2次發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)，則發(fā)射完畢直至魚雷停止約2.1 s后，便可進(jìn)行下一次發(fā)射。

4　結(jié) 論

文中所建立的假海發(fā)射試驗(yàn)過程中的流體流動(dòng)模型，利用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值仿真。由仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1）依照仿真結(jié)果可以得到發(fā)射過程中發(fā)射管內(nèi)壓力分布的變化以及水密環(huán)對(duì)壓力分布的影響，驗(yàn)證了水密環(huán)的重要性，也為水密環(huán)的間隙設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；

2）對(duì)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的大強(qiáng)度渦流分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度大的渦流會(huì)引起假海筒體產(chǎn)生不對(duì)稱的壓力波動(dòng)，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致魚雷在導(dǎo)軌束縛下摩擦力的劇烈變化，從而產(chǎn)生速度震蕩；

3）根據(jù)發(fā)射過程中壓力分布情況，可以發(fā)現(xiàn)假海筒體左邊靠近發(fā)射管后端區(qū)域的壓力波動(dòng)較小，是進(jìn)行壓力傳感器布置的理想部位；

4）根據(jù)假海內(nèi)部流場(chǎng)的仿真結(jié)果，可以預(yù)測(cè)流場(chǎng)恢復(fù)穩(wěn)定并逐漸趨于靜態(tài)的時(shí)間，為連續(xù)2次發(fā)射時(shí)間間隔的確定提供了理論依據(jù)。

［1］劉家銓. 潛艇魚雷發(fā)射裝置概論［M］. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.

［2］韓占忠，王敬，蘭小平. Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］. 北京： 北京理工大學(xué)出版社，2004.

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［5］宋保維，黃海. 氣動(dòng)不平衡式魚雷發(fā)射器內(nèi)彈道流場(chǎng)仿真研究［J］. 魚雷技術(shù)，2008，16（2）： 46-49.

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（責(zé)任編輯： 許妍）

Simulation on Complicated Inner Flow Field in False Sea Test Facility

DONG Ming-yang，WANG Yun，DUAN Hao
（Kunming Branch of the 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Kunming 650118，China）

To obtain a detailed，intuitive and accurate description of the pressure field and velocity field distribution of inner flow field in false sea test facility for an air-turbine pump launcher during launching，a mathematical model of inner flow field in false sea test facility is established，and simulation is conducted by using dynamic mesh of FLUENT. The results illustrate the distributions of pressure field and velocity field of inner flow field in false sea test facility at every stage of the launching process，which may be taken as a reference for test design. In addition，explanation is given for the phenomena appeared during the launching test by considering the simulation results of false sea test. And the recovery state of the inner flow field is predicted according to the simulation results to provide a theoretical basis for determining time interval between two continuous launching.

air-turbine pump launcher； false sea； inner flow field； pressure field； velocity field； dynamic mesh

TJ635

A

1673-1948（2015）01-0066-05

2014-12-02；

2014-12-17.

董明陽(yáng)（1989-），男，在讀碩士，研究方向?yàn)轸~雷發(fā)射技術(shù).