基于CFD的假海試驗設(shè)施魚雷接收管數(shù)值仿真

王賢明，段　浩，王　云

（中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

基于CFD的假海試驗設(shè)施魚雷接收管數(shù)值仿真

王賢明，段浩，王云

（中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

魚雷接收管是假海試驗設(shè)施的重要組成部分，其主要作用是接收發(fā)射出管、沿導向管而來的魚雷，并使其減速、停止在接收管中。文中采用商用CFD軟件，使用剪切壓力傳輸（SST）k-w模型并結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，仿真了在一系列參數(shù)條件下魚雷進入接收管的運動過程。仿真中分別考慮了接收管的內(nèi)半徑、管長及雷速等參數(shù)，得到了這些參數(shù)對魚雷運動過程的影響。仿真結(jié)果表明，魚雷進入接收管由于受水體作用的影響，具有明顯的非線性特征。仿真結(jié)果可為接收管設(shè)計提供驗證和支撐。

魚雷接收管； 假海實驗設(shè)施； 發(fā)射； 非線性； 動網(wǎng)格

0　引言

假海是支撐大深度雷彈發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)試驗設(shè)施的主要組成部分［1］，為水下多種武器發(fā)射提供大深度模擬水深的發(fā)射試驗環(huán)境。通過假?？蛇M行諸多發(fā)射裝置研發(fā)過程中必不可少的相關(guān)試驗研究，相關(guān)的試驗結(jié)果可以及時反饋到研制過程中，提高發(fā)射裝置的可靠性和安全性，有效降低系泊試驗、實航試驗的風險，縮短研制周期。

接收管作為假海試驗設(shè)施的重要組成部分，主要作用是在魚雷經(jīng)發(fā)射管發(fā)射出管后對其減速及回收。影響接收管效用的主要參數(shù)有接收管長度、管內(nèi)壁半徑及接收管形狀等，這些參數(shù)的合理性將直接影響接收管是否可以有效使魚雷減速并停止，防止魚雷撞擊破壞假海筒體。

由于魚雷進入接收管后會引起管內(nèi)水體復雜流動，水流會直接影響魚雷的受力及運動過程，并且由于雷速不斷下降，雷諾數(shù)由高到低變化，需要考慮魚雷受到的粘性力作用，因此采用基于有限體積法的CFD計算方法對魚雷進入接收管的運動過程進行仿真分析。

1　模型的建立

1.1計算域選取

魚雷回收過程中的流場模型在水平面和豎直平面內(nèi)均為對稱結(jié)構(gòu)，可將其簡化為2D軸對稱模型。此外，魚雷和導軌、接收管之間間隙極小，魚雷的運動軌跡基本一直保持在接收管中心軸線上。同時，由于武器在水中的負浮力較小并且回收過程主要關(guān)注魚雷軸向速度變化，因此可以忽略重力、導軌摩擦力等因素，并忽略魚雷的垂向運動。此外為了便于網(wǎng)格劃分以及數(shù)值仿真，將魚雷簡化為不帶鰭、舵、槳的回轉(zhuǎn)體。

文中選取圓柱型接收管作為研究對象進行建模分析。魚雷進入接收管后會立即引起管內(nèi)水體的劇烈運動，為使雷體進入接收管前得到合理的流場，選擇距離接收管入口1.5 m的位置作為仿真計算的初始位置（如圖1中點O所示位置）。計算域及坐標系如圖1所示，計算區(qū)域采用2D軸對稱，旋轉(zhuǎn)軸為OX，其中OE為11 m，DE為3.5 m。

圖1　計算域及坐標系Fig. 1　Calculation domain and coordinate system

1.2網(wǎng)格劃分

由于模型較大且魚雷與接收管之間間隙極小，如果使用三角形網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分將產(chǎn)生數(shù)量巨大的網(wǎng)格； 同時選擇三角形網(wǎng)格的劃分方式就意味著在使用動網(wǎng)格的過程中，網(wǎng)格更新方式［2］只能使用彈性光順法和網(wǎng)格重構(gòu)法，這不僅對計算機硬件要求極高，而且針對如此復雜的接收過程仿真計算很難收斂。為了兼顧網(wǎng)格生成質(zhì)量、數(shù)量以及在運用動網(wǎng)格技術(shù)時選取鋪層法，文中選擇了四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，并對雷體周圍區(qū)域采用C形拓撲［3］。

如前所述，魚雷在接收過程中的運動軌跡為直線，因此采用鋪層法進行網(wǎng)格的生成和消除。鋪層法要求對網(wǎng)格區(qū)域進行動、靜網(wǎng)格區(qū)域分區(qū)。由于魚雷和導軌、回收管之間存在間隙，動網(wǎng)格區(qū)域和靜網(wǎng)格區(qū)域運用FLUENT提供的滑移網(wǎng)格技術(shù)［4］使兩部分網(wǎng)格連接起來。

圖2　網(wǎng)格劃分Fig. 2　meshing

圖3　網(wǎng)格局部放大Fig. 3　Local amplification of grid

1.3算例參數(shù)選擇

文中主要針對圓柱形式接收管進行計算分析，分別選取管長為9 m及13 m，管內(nèi)壁半徑為0.300 m、0.295 m、0.285 m，魚雷直徑為0.533 m，魚雷距接收管口1.5 m，起始速度分別為10 m/s、15 m/s。根據(jù)不同的參數(shù)組合，共完成8個算例的計算，詳細算例參數(shù)設(shè)置見表1。

表1　各算例的參數(shù)設(shè)置Table 1　Parameters setting in numerical examples

1.4流場邊界條件

邊界條件設(shè)置［5］: 速度入口為DE； 壓力出口為CD； 其余均為壁面邊界條件。

魚雷的運動速度可在每個時間步流場計算收斂后由UDF計算得到，具體方式是: 在得到每個時間步的魚雷受力后，根據(jù)牛頓第二定律得到魚雷加速度，魚雷的速度和位移即通過對加速度積分得到。魚雷加速度公式［6］由式（1）確定。

式中:PT，PH分別為魚雷前后壓力值，即為魚雷前后壓差力； S為魚雷濕周面積； f為魚雷受到的粘性阻力； Fm為魚雷與假海中導軌的機械摩擦阻力，由于魚雷的負浮力較小，計算中將該力忽略。其中，和f均可通過UDF使用FLUENT提供的宏對魚雷表面進行積分獲得［7］。仿真中使用了FLUENT提供的定義面上受力及力矩的宏函數(shù)“COMPUTE_ FORCE_ AND_MOMENT”和提供重心移動的宏函數(shù)“DEFINE_CG_MOTION”。前者可輸出實時的物面壓力積分值，后者用于定義動網(wǎng)格以及固壁邊界運動。

1.5求解器設(shè)置

整個計算域內(nèi)流體均為不可壓縮的，在FLUENT中選擇基于壓力的瞬態(tài)求解器； 由于魚雷航速隨著時間的推進不斷下降，雷諾數(shù)由高到低變化，因此湍流模型選擇采用雷諾數(shù)適用范圍廣的SSTk- w模型； 壓力速度耦合采用SIMPLEC；為保證仿真精度，壓力的空間離散采用PRESTO！格式，其余均采用高階QUICK格式。

2　計算結(jié)果及分析

2.1計算結(jié)果

在各算例計算過程中，對每個時間步魚雷的位移及速度分別進行輸出，因此得到魚雷在接收過程中的航速、位移變化（如圖4和圖5所示）。通過計算結(jié)果可以看到，魚雷進入接收管有明顯的減速過程，在2 s內(nèi)魚雷航速可下降至較小的狀態(tài)，但是魚雷還在微弱外力的作用下緩慢運動，從而使魚雷位移變化結(jié)果各算例間存在一定差異。

圖4　不同起始雷速條件下魚雷航速的計算結(jié)果對比Fig. 4　Comparison among speed calculations of a torpedo with different starting speeds

為說明接收管內(nèi)流場的壓力變化過程，以 C-2算例為例對不同時刻的流場壓力云圖結(jié)果進行輸出，如圖6所示。由計算結(jié)果可知，魚雷頭部在進入接收管管口后，接收管內(nèi)壓力迅速上升，隨后接收管內(nèi)壓力通過魚雷與接收管的間隙迅速釋放，管內(nèi)壓力的升高阻礙了雷體的入管運動并降低了雷速，但隨著管內(nèi)壓力下降魚雷受到的阻力也隨之下降。對于高航速魚雷進入接收管內(nèi)將魚雷進入接收管內(nèi)產(chǎn)生的壓力較低則使雷速下降較慢，因此魚雷運動與水體運動相互耦合具有明顯的非線性特征，這也說明了圖4中不同航速魚雷進入接收管的運動過程具有明顯差異的原因。

圖5　不同起始雷速條件下魚雷位移計算結(jié)果對比Fig. 5　Comparison among displacement calculations of a torpedo with different starting speeds

圖6　不同時刻的流場壓力云圖(D-1)Fig. 6　Pressure contour of flow field at different moment(torpedo D-1)

現(xiàn)取坐標（-4，0.05）點（位于接收管內(nèi)）處不同時刻的壓力情況來觀察接收管內(nèi)壓力變化情況，如表2。由表中數(shù)據(jù)可知，魚雷頭部在進入接收管管口后，接收管內(nèi)壓力迅速上升，很短的時間內(nèi)就增加到很大的壓力，隨后接收管內(nèi)壓力通過魚雷與接收管的間隙迅速釋放，在3 s左右就下降到不足最高壓力的0.000 1。

表2　(–4, 0.05)點處的壓力變化情況Table 2　Change of pressure at point (-4, 0.05)

2.2結(jié)果分析

文中計算對每個算例設(shè)置了不同的接收管內(nèi)半徑、管長及魚雷初速度等參數(shù)，通過結(jié)果分析可以得到3個參數(shù)對魚雷回收運動過程的影響，進而為接收管的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1）接收管內(nèi)半徑對魚雷運動的影響

圖7是相同管長、相同魚雷初速條件下不同接收管內(nèi)半徑下的計算結(jié)果比較，可以看到進入間隙越小的接收管魚雷減速過程越快，這主要是因為間隙直接影響到接收管內(nèi)水體的排出速率，間隙較大時接收管的水體排出較快，使得管內(nèi)壓力下降較快，因此魚雷航行阻力相對較小。

由結(jié)果可知，接收管的內(nèi)半徑越小越有利于雷體減速。經(jīng)分析，當接收管內(nèi)半徑＞0.59 m時雷體減速效果較差。

2）魚雷初速度對接收管減速效果的影響

從圖4可以看到，初速度越高的魚雷在進入接收管的初期速度衰減的越快，這是因為魚雷速度越高，受到的阻尼力也越大，物體受到的沖擊也較大，速度因而衰減的快； 在初始的劇烈運動中，速度快速下降，之后的速度變化就很小了，魚雷初速對這一情況的影響不是很大。圖8是算例A-1及A-2在0.3 s時刻的速度云圖，可以看到，魚雷初速度越高進入接收管后引起的流動越劇烈，受到影響的水體流域越廣，對應(yīng)的魚雷動能損失越快。這表明了魚雷運動與水體運動之間復雜的耦合關(guān)系。

圖7　 不同接收管內(nèi)半徑的魚雷航速計算結(jié)果對比Fig. 7　Comparison among calculations of torpedo speed for different inside radii of receiving tube

圖8　t=0.3 s的A-1與A-2魚雷的速度云圖Fig. 8　Velocity contour of torpedo A-1 and A-2 when t=0.3 s

3）管長對接收管減速效果的影響

通過B-1、B-2、C-1、C-2算例的結(jié)果比較可以分析接收管管長對魚雷減速效果的影響（如圖9所示）。通過結(jié)果對比可以看到，接收管長度對減速效果影響較小，魚雷在2 s后速度出現(xiàn)細微的差異，通過比較分析長管的減速效果略勝于短管。

圖9　不同管長條件下魚雷航速計算結(jié)果對比Fig. 9　Comparison among calculations of torpedo speed for different lengths of receiving tube

3　結(jié)論

通過以上一系列的計算結(jié)果分析可以得到以下結(jié)論。

1）在魚雷初速小于15 m/s的情況下，從內(nèi)半徑越小魚雷減速效果越明顯的角度來看，應(yīng)盡可能減小接收管內(nèi)半徑，但過于減小接收管內(nèi)半徑會導致魚雷與管壁間隙太小，可能會造成卡管現(xiàn)象，綜合考慮之下，可取接收管內(nèi)半徑為0.575～ 0.585 m。

2）接收管的管長對魚雷管內(nèi)運動影響不是很明顯，長管略微優(yōu)于短管，可以在保證魚雷回收安全的前提下優(yōu)先考慮短管。

［1］ 董明陽，王云，段浩. 假海試驗設(shè)施復雜內(nèi)流場仿真［J］.魚雷技術(shù)，2015，23（1）: 66-70.

Dong Ming-yang，Wang Yun，Duan Hao. Simulation on Complicated Inner Flow Field in False Sea Test Facility［J］. Torpedo Technology，2015，23（1）: 66-70.

［2］ 隋洪濤，李鵬飛，馬世虎，等. 精通CFD動網(wǎng)格工程仿真與案例實戰(zhàn)［M］. 北京: 人民郵電出版社，2013.

［3］ 紀兵兵，陳金瓶. ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實例詳解［M］. 北京: 中國水利水電出版社，2012.

［4］ 江帆，黃鵬. FLUENT高級應(yīng)用與實例分析［M］. 北京:清華大學出版社，2008.

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

［6］ 練永慶，王樹宗. 魚雷發(fā)射裝置設(shè)計原理［M］. 北京:國防工業(yè)出版社，2012.

［7］ ANSYS Inc. FLUENT User′s Guide［M］. United States: ANSYS Inc，2003.

（責任編輯: 許妍）

Numerical Simulation of Torpedo Receiving Tube of False Sea Test Facility Based on CFD

WANG Xian-ming，DUAN Hao，WANG Yun
（Kunming Branch of the 705 Research Institute，China Shipbuilding Corporation，Kunming 650118，China）

Receiving tube is an important component of false sea test facility. Its main function is to receive the launched torpedo coming along guide pipe，and to make the torpedo slow down and stop in it. In this study，the motion processes of a torpedo into the receiving tube are simulated with a series of parameters by making use of the shear stress transmission（SST）k- wmodel and dynamic mesh in the commercial software CFD. The parameters include the receiving tube′s inside radii and length，the torpedo speed，etc. The effects of these parameters on the torpedo motion process are acquired. Simulations show that the process of a torpedo entering into the receiving tube has obvious nonlinear characteristics due to the effect of water. The simulation results may provide verification and support for design of receiving tube.

torpedo receiving tube； false sea test facility； launch； nonlinear； dynamic mesh

TJ635

A

1673-1948（2015）05-0388-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.013

2015-07-21；

2015-08-13.

王賢明（1991-），男，在讀碩士，研究方向為水下發(fā)射技術(shù).