水下航行器彈射式發(fā)射裝置筒壁開孔對內(nèi)彈道的影響

馬 輝

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第726研究所， 上海， 201108）

水下航行器彈射式發(fā)射裝置筒壁開孔對內(nèi)彈道的影響

馬 輝

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第726研究所， 上海， 201108）

為設(shè)計合理的水下航行器發(fā)射裝置筒壁開孔方案， 提高發(fā)射效率， 文中采用多對多的交界面技術(shù)， 解決了帶孔壁面間無間隙滑移的仿真難題， 建立了耦合求解非定常流場和活塞、航行器運動的數(shù)值仿真模型。在給定初始條件下， 通過 Fluent軟件中的二次開發(fā)實現(xiàn)了發(fā)射裝置儲能筒壁在不同開孔形狀和開孔面積下的航行器發(fā)射內(nèi)彈道仿真， 對模擬流場以及運動曲線進(jìn)行了分析。結(jié)果表明， 水下航行器發(fā)射裝置儲能筒壁開孔形狀對出筒效率影響不大， 出筒效率主要受開孔面積的影響， 且隨著開孔面積的減小， 出筒效率成指數(shù)下降。證明了基于多對多交界面技術(shù)的水下航行器發(fā)射仿真的可靠性。文中的研究可為彈射式水下發(fā)射裝置設(shè)計提供參考。

水下航行器； 發(fā)射裝置； 彈射式； 多對多交界面技術(shù)； 儲能筒壁； 開孔

0 引言

水下航行器動力式發(fā)射裝置主要分為渦輪泵式和彈射式［1］。渦輪泵式是指通過高壓空氣或強力水流進(jìn)人發(fā)射管內(nèi)后部， 使發(fā)射管中的航行器在短時間內(nèi)受到強大的前向推力， 進(jìn)而在很短的時間內(nèi)達(dá)到較高發(fā)射初速并高速發(fā)射出管。彈射式是指通過某種作用于航行器等物體上的彈性力量快速釋放， 使航行器以較大加速度和初速發(fā)射出管。目前使用較普遍的是渦輪泵式發(fā)射裝置。

對于采用渦輪泵式發(fā)射裝置發(fā)射航行器的內(nèi)彈道分析， 國內(nèi)學(xué)者開展了較多的研究。魏勇［2-3］等針對水壓平衡式發(fā)射裝置， 對氣缸活塞行程與發(fā)射深度對航行器出管速度、拋射壓力的影響等進(jìn)行了研究。練永慶［4］等建立了等效彈性發(fā)射水艙數(shù)學(xué)模型， 對彈性發(fā)射水艙在發(fā)射過程中航行器內(nèi)彈道的影響進(jìn)行了定量分析。田兵［5］等建立了液壓蓄能式發(fā)射裝置發(fā)射的內(nèi)彈道模型， 并在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真。戶柏順［6］等建立了水壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射的內(nèi)彈道模型，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真。張孝芳［7］等對液壓平衡式發(fā)射裝置中活塞的緩沖特性進(jìn)行了研究。

目前， 針對彈射式發(fā)射裝置的研究［8-9］較多，而位于水下且采用彈簧動力發(fā)射裝置的研究較少，且在內(nèi)彈道的數(shù)值仿真過程中， 較少考慮筒內(nèi)活塞等對流場的影響。文中采用多對多的交界面技術(shù)解決了活塞、航行器以及筒壁間小間隙相對運動的難點， 在 Fluent軟件［10］的統(tǒng)一光盤格式（universal disc format， UDF）中通過二次開發(fā)來控制活塞、航行器的耦合運動， 實現(xiàn)了內(nèi)彈道的數(shù)值仿真。通過分析， 獲得了發(fā)射裝置筒壁開孔形狀以及開孔面積對內(nèi)彈道的影響。

1 水下航行器彈射式發(fā)射裝置

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水下航行器發(fā)射裝置由上筒壁、儲能筒、活塞、彈簧和導(dǎo)軌組成。彈簧位于活塞正下方下處于預(yù)緊狀態(tài)， 航行器平行導(dǎo)軌垂直支撐于活塞上。航行器發(fā)射時， 控制活塞的開關(guān)松開， 彈簧推動活塞以及航行器向上加速運動， 活塞推送一定距離后與航行器分離， 航行器繼續(xù)向上運動至出筒。水下航行器發(fā)射裝置如圖1所示。

針對水下航行器發(fā)射裝置的幾何特點以及預(yù)期的流場特征， 做出相應(yīng)簡化:

1） 考慮計算模型的對稱性， 采用 1/4建模，較大程度節(jié)約了計算成本， 提高了計算效率；

圖1 水下航行器發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 1 Structure of an underwater vehicle launcher

2） 由于航行器與活塞運動中會發(fā)生分離，導(dǎo)致航行器與活塞之間無網(wǎng)格填充， 從而計算無法順利進(jìn)行， 因此， 在航行器與活塞之間人為增加6 mm的小間隙， 該間隙上端面以航行器速度運動， 下端面以活塞速度運動， 從而保證航行器與活塞之間的網(wǎng)格一直存在， 使計算順利進(jìn)行；

3） 裝置中導(dǎo)軌與彈簧在流場中所占體積較小， 且考慮其幾何模型會使建模更加復(fù)雜， 故忽略彈簧及導(dǎo)軌的體積；

4） 由于模型各物理尺寸優(yōu)化時存在一些固有的小間隙， 使高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分較為困難， 故而根據(jù)間隙大小也做了相應(yīng)簡化假設(shè)， 當(dāng)間隙小于 1 mm時， 直接忽略該間隙， 假設(shè)物面重合并忽略摩擦力， 比如活塞與筒壁之間的間隙通常設(shè)計為0.5 mm左右， 但實際使用中， 該間隙中通常以潤滑劑填充， 因此， 忽略摩擦并假定物面重合是合理可行的；

5） 由于航行器的發(fā)射主要是筒內(nèi)流動， 為了建模以及網(wǎng)格劃分方便， 忽略外筒壁的厚度。

1.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

按照以上假設(shè)， 計算坐標(biāo)系以及選取計算區(qū)域如圖2所示。計算坐標(biāo)系中心選取在航行器末端， z軸沿航行器軸線向上。航行器前方選取約4倍航行器長度的距離， 周向選取約 0.5倍航行器長度的距離以保證邊界截斷影響可以忽略。

圖2 計算流場區(qū)域Fig. 2 Computation flow field region

考慮到航行器與活塞均為單方向的運動， 可僅采用層鋪的方式重構(gòu)網(wǎng)格。在采用層鋪的動網(wǎng)格模式下， 鋪層主要體現(xiàn)在區(qū)域的邊界上， 即以邊界面上網(wǎng)格為基礎(chǔ)逐層增加或減少， 由于航行器發(fā)射模型中涉及到多個物體的運動， 必須進(jìn)行多區(qū)域劃分并采用多對多的交界面技術(shù)。區(qū)域劃分如圖3所示。

圖3 流場區(qū)域劃分示意圖Fig. 3 Schematic of dividing flow field region

圖中， 1～8為計算模型采用的8組交界面， 其中1， 2， 3， 6為多對多的交界面。在多對多的交界面設(shè)置下， 交界面有一邊為壁面或未定義邊界時則該部分邊界作壁面處理， 在交界面兩邊均為流場內(nèi)域時則作為交界面?zhèn)鬟f信息， 這使得活塞壁與帶孔筒壁間的滑移處理十分簡便。相應(yīng)地進(jìn)行區(qū)域劃分后， 計算網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 計算網(wǎng)格劃分圖Fig. 4 Schematic of meshing

整個計算域網(wǎng)格數(shù)約 70萬， 其中航行器以及活塞壁面采用邊界層加密， 經(jīng)試算能保證較高的精度和計算效率。

1.3 航行器及活塞運動控制

航行器水下彈射過程分為2個階段。初始階段， 活塞和航行器作為一個整體從零速度開始加速運動， 彈簧處于壓縮狀態(tài)， 繼續(xù)運動一段時間后， 航行器與活塞分離， 進(jìn)入第 2階段。第2階段航行器沿 z向做減速運動， 活塞在平衡位置附近上下振動。

對于第1階段運動， 活塞與航行器作為一個整體運動， 受力方程

式中: k為彈簧的剛度系數(shù)； l為彈簧預(yù)壓縮長度； z為航行器的位移； FR為流體作用于航行器與活塞上的總阻力； Gdh為航行器與活塞水中的總重量；md為航行器在空氣中的質(zhì)量； mh為活塞在空氣中的質(zhì)量； a為整體的加速度。

由式（1）即可獲得物體在第 1階段的加速度，再結(jié)合初始條件

即可確定物體在第1階段的運動參數(shù)。在航行器與活塞加速向上運動的過程中， 彈簧提供的向上推力逐漸變小， 并且在過平衡位置后力作用的方向改變， 使活塞所受的阻力逐漸增大， 即在此過程中， 活塞加速度必然會在某個時刻小于航行器， 發(fā)生分離進(jìn)入第 2階段。這里， 判斷活塞與航行器發(fā)生分離的條件為: 活塞加速度小于航行器， 即航行器的速度開始大于活塞， 發(fā)生分離。

在第 2階段， 活塞與航行器單獨運動， 而其相互影響則通過流體作用的總阻力體現(xiàn)。分離后，航行器方程

式中: FRd為航行器受流體的總阻力； Gd為航行器水中的重力； ad為航行器的加速度。

活塞受力方程

式中: FRh為活塞受水的總阻力； Gh為活塞在水中的重力； ah為活塞的加速度。

由上述方程即可獲得任意時刻加速度， 在Fluent中由于只存在速度接口， 因此須在UDF中將加速度積分， 計算出速度返回。

2 發(fā)射裝置筒壁開孔特性分析

2.1 筒壁開孔形狀對航行器出筒效率影響

儲能筒壁高度主要包括航行器從開始加速至彈簧平衡位置的路程， 儲能筒壁的開孔關(guān)系到航行器加速階段的補水是否充足。首先對儲能筒壁的開孔形狀加以研究， 校核其對補水效果的影響。為保證開孔不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)應(yīng)力集中，不宜采納多邊形的開孔， 而選取圓形和長形2種開孔， 具體采用的計算模型如圖5所示。

對于2種開孔方式， 保證儲能筒壁開孔面積相同， 開孔面積為底面積的1.1倍， 模型其他主要參數(shù)見表1。相應(yīng)計算出的速度位移曲線見圖6～圖7。由圖中可見， 在保證開孔面積相同的情況下，2種開孔形狀計算模擬的速度以及位移曲線幾乎重合， 可見開孔筒壁的開孔形狀對航行器的出筒效率幾乎無影響。由表 2可見， 圓形開孔出筒時間略微小于長形開孔出筒時間， 且出筒速度略微大于長形開孔對于航行器出筒時的計算速度。就2種開孔形狀而言， 圓形開孔的出筒效率要略微優(yōu)于長形開孔， 但總體影響不大。

圖5 不同形狀開孔模型圖Fig. 5 Models of different hole shapes

表1 不同開孔形狀模型的相同參數(shù)表Table 1 Common parameters of different hole shape models

圖6 不同開孔形狀模型速度曲線圖Fig. 6 Velocity-time curves of different hole shape models

圖7 不同開孔形狀模型位移曲線圖Fig. 7 Displacement-time curves of different hole shape models

表2 不同開孔形狀模型出筒效率Table 2 Out-tube efficiency for different hole shape models

2.2 開孔面積對航行器出筒效率影響

為研究儲能筒開孔面積對彈射裝置彈射效率的影響， 在充分考慮理論結(jié)構(gòu)強度的要求下，針對儲能筒壁進(jìn)行了最大化透水孔設(shè)計， 使透水孔面積達(dá)到極限強度要求下的最大理論臨界值。為了研究實際應(yīng)用中的開孔面積與彈射效率的關(guān)系， 以此臨界模型為透水面積最大的原始模型，研究不斷減小開孔面積對出筒效率的影響， 具體模型見圖 8。圖中， 原始模型儲能筒壁上開有 3排徑向透水孔， 每排孔尺寸為 6×Φ30 mm； 5排徑向小孔為裝配孔， 每排孔尺寸為 6×Φ 18 mm?？傞_孔面積為橫截面積的1.32倍， 儲能筒壁外的其他參數(shù)見表3。

圖8 原始模型圖Fig. 8 Original model

表3 不同開孔面積模型的相同參數(shù)表Table 3 Common parameters of different hole area models

文中首先針對原始模型的出筒效率進(jìn)行分析， 然后通過選擇封閉部分透水孔的方式進(jìn)行開孔面積與出筒效率關(guān)系的研究。透水孔封閉方式為從上至下封孔， 分別為封1圈、封2圈以及全部封孔， 裝置其余模型參數(shù)不變， 各模型數(shù)值計算的速度場云圖見圖9。

圖9 t =0.06 s時水下航行器與活塞分離后速度場云圖Fig. 9 Velocity field contour after separation of underwater vehicle and piston at t=0.06 s

圖9中， 給出了0.06 s航行器與活塞分離后的 4個模型的速度場云圖。由速度場云圖可見，隨著封孔圈數(shù)變多， 筒壁透水孔附近的流體顏色加深， 即流速增大。觀察航行器與活塞間的流場可見， 隨著封孔圈數(shù)越多， 筒壁的開孔面積減小，航行器與活塞之間的速度增大， 則相應(yīng)地壓力越小， 從而航行器所受阻力也越大。相應(yīng)地給出速度與位移的曲線變化， 參見圖10和圖11。由圖中可見， 隨著封孔越多， 航行器在加速以及減速運動2個階段所受阻力均增大。

表4給出了不同儲能筒開孔模型下的出筒效率表?？芍?封孔1圈或2圈對航行器出筒效率影響并不大， 當(dāng)封第3圈孔時， 出筒時間變?yōu)榉?圈孔的2倍， 而出筒速度卻變?yōu)榉?1圈孔的1/7，可見對于文中測試的初始模型須至少保證1圈補水孔， 即補水面積不小于橫截面積的 77%， 以保證補水充足。

圖10 不同開孔面積模型速度曲線圖Fig. 10 Velocity-time curves of different hole area models

圖11 不同開孔面積模型位移曲線Fig. 11 Displacement-time curves of different hole area models

表4 不同開孔面積模型出筒效率Table 4 Out-tube efficiency for different hole area models

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)作圖， 并將數(shù)據(jù)點采用B樣條曲線擬合， 如圖12所示。其中: 橫坐標(biāo)無因次開孔面積為儲能筒壁開孔面積S除以發(fā)射裝置筒底面積SD， 縱坐標(biāo)為出筒速度與時間的數(shù)值。由圖可見， 出筒時間與出筒速度均隨無因次開孔面積約呈指數(shù)型變化， 在無因次開孔面積約小于0.9后， 出筒時間迅速增加而出筒速度迅速減小，因此儲能筒壁的開孔面積不宜小于底面積的90%。

圖12 不同開孔面積模型出筒效率Fig. 12 Out-tube efficiency for different hole area models

3 結(jié)束語

針對水下航行器由發(fā)射裝置彈射出筒的過程， 在建模中考慮了流場中活塞與航行器的耦合作用， 使計算結(jié)果更為真實可信。同時采用了多對多的交界面技術(shù)， 解決了帶孔壁面與活塞間無間隙滑移的仿真難題； 通過多區(qū)域劃分， 僅采用滑移以及層鋪的動網(wǎng)格模式即可完成數(shù)值仿真，保證了物體運動時網(wǎng)格的質(zhì)量， 并且也提高了仿真速度。同時對彈射式水下發(fā)射裝置的筒壁開孔形狀以及開孔面積對航行器出筒效率的影響進(jìn)行了相應(yīng)研究。在影響彈體內(nèi)彈道補水的主要因素里， 除了有儲能筒壁的開孔面積外， 還有上筒壁以及活塞端面的開孔面積， 其數(shù)值變化必然導(dǎo)致最佳無因次開孔面積的數(shù)值產(chǎn)生偏移， 因此， 還有待進(jìn)一步探討。

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（責(zé)任編輯: 楊力軍）

Influence of Tube Opening on Internal Trajectory of Underwater Vehicle Launcher with Ejection Mode

MA Hui
（The 726 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Shanghai 201108， China）

A reasonable tube opening scheme for an underwater vehicle launcher is designed to enhance the emission efficiency. The multi-to-multi interface technology is adopted to solve the simulation difficulty of gapless slipping between walls with holes， and a simulation model is built to couple the unsteady flow field， piston and vehicle movement. According to the given initial condition， the internal trajectory simulation of energy storage tube with different area and shape of the hole is accomplished by secondary development in software Fluent， and the obtained flow fields and the movement curve are analyzed. The results show that the area of hole has significant effect on the out-tube efficiency，while the effect of hole shape can be ignored. The out-tube efficiency decreases exponentially with the decrease of the hole area. The reliability of the underwater vehicle launcher simulation based on multi-to-multi interface technology is proved. This study may provide a reference for the design of underwater vehicle launcher with ejection mode.

underwater vehicle； launcher； ejection mode； multi-to-multi interface technology； energy storage tube；opening

TJ635； V271.4

A

1673-1948（2016）04-0314-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.04.0014

2016-06-15；

2016-07-15.

馬 輝（1978-）， 女， 工程師， 主要從事水下總體技術(shù)及流體計算.