雷彈發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)急發(fā)射狀態(tài)下發(fā)射閥內(nèi)流場分析

王賢明，段　浩，王　云

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

雷彈發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)急發(fā)射狀態(tài)下發(fā)射閥內(nèi)流場分析

王賢明，段浩，王云

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

發(fā)射閥是潛艇雷彈發(fā)射系統(tǒng)的重要部件, 其主要作用是準(zhǔn)確控制氣體的流量以及壓力, 從而保證發(fā)射過程的精確性。文中采用商用CFD軟件, 建立了應(yīng)急發(fā)射狀態(tài)下發(fā)射閥內(nèi)流場的數(shù)學(xué)模型, 使用剪切壓力傳輸(SST) k-ω模型并結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)對該模型進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果詳細(xì)直觀地描述了發(fā)射閥內(nèi)流場各個(gè)階段的瞬態(tài)壓力、瞬態(tài)速度分布。所獲得的仿真結(jié)果可為發(fā)射閥流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù), 同時(shí)還可為研究潛艇發(fā)射系統(tǒng)的振動與氣動噪聲提供參考。

雷彈發(fā)射系統(tǒng)；發(fā)射閥；流場仿真；動網(wǎng)格；應(yīng)急發(fā)射；氣動噪聲

0　引言

水壓平衡式雷彈發(fā)射系統(tǒng)利用壓縮空氣作為能源，通過不同的動力轉(zhuǎn)換裝置（往復(fù)泵式、氣動沖壓式或渦輪泵式）［1］實(shí)現(xiàn)魚雷的發(fā)射。雷彈發(fā)射系統(tǒng)［2］作為一種流體動力機(jī)械作用特殊，它的內(nèi)部流體的流動情況直接或間接的影響了雷彈發(fā)射系統(tǒng)工作中所表現(xiàn)出的所有瞬態(tài)特性，而發(fā)射閥是雷彈發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，影響雷彈發(fā)射系統(tǒng)瞬態(tài)特性從而實(shí)現(xiàn)對雷彈發(fā)射內(nèi)彈道參數(shù)的控制。準(zhǔn)確認(rèn)識與把握詳細(xì)的發(fā)射閥內(nèi)部流場流動特征，對研究雷彈發(fā)射系統(tǒng)的瞬態(tài)特性具有重要意義［3］。

發(fā)射閥能準(zhǔn)確控制氣體的流量以及壓力，從而保證發(fā)射過程的精確性。正常情況下，發(fā)射閥可按程序控制模塊設(shè)定好的程序控制閥芯的運(yùn)動，獲得不同的發(fā)射閥開啟面積變化規(guī)律。當(dāng)電液伺服系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，使用應(yīng)急發(fā)射系統(tǒng)來操作。應(yīng)急發(fā)射是在電控發(fā)射無法正常工作的情況下，通過應(yīng)急系統(tǒng)使發(fā)射閥閥芯按某一恒定速度提起，將武器拋射出管，是保障武器成功發(fā)射的重要手段。對應(yīng)急發(fā)射狀態(tài)下發(fā)射閥內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值仿真，可以得到發(fā)射過程中發(fā)射閥內(nèi)流場的瞬態(tài)壓力、瞬態(tài)速度分布情況。

1　模型的建立

1.1發(fā)射閥模型

發(fā)射閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由截止閥、閥芯等部件組成，其3D模型剖面如圖2所示。

圖1　發(fā)射閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of launch valve

圖2　發(fā)射閥3D模型剖面圖Fig.2　Sectional view of three-dimensional model of launch valve

從圖1和圖2可以看出，發(fā)射閥的一端連接高壓氣瓶，另一端與空氣渦輪機(jī)相連。發(fā)射開始時(shí)，閥芯向上運(yùn)動使特形孔打開接通氣路，高壓空氣從高壓氣瓶中流出，從左側(cè)口進(jìn)入發(fā)射閥，從下方口流入空氣渦輪機(jī)進(jìn)氣口推動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)魚雷發(fā)射。在應(yīng)急發(fā)射狀態(tài)下，閥芯按恒定速度提起，其閥芯開啟面積變化規(guī)律如圖 3所示。

圖3　發(fā)射閥開啟面積變化規(guī)律Fig.3　Variation of launch valve open area

1.2控制方程

氣體在發(fā)射閥內(nèi)部流場的流動是可壓縮流動［4］。文中采用非定常3D可壓縮流體的控制方程組作為數(shù)學(xué)模型［5］。直角坐標(biāo)系下，非定常3D可壓縮流體流動的瞬態(tài)控制方程組［6］為

1） 連續(xù)性方程

式中: ρ是密度；t是時(shí)間；u是速度矢量。

2） 動量方程

式中: u，v，w是速度矢量u在3個(gè)方向的速度分量；μ是動力粘度；p是作用在流體微元上的壓力；Su，Sv，Sw為廣義源項(xiàng)。

3） 能量方程

式中: T為溫度；c為比熱容；k為流體的傳熱系數(shù)；ST簡稱作粘性耗散項(xiàng)。

4） 狀態(tài)方程

1.3網(wǎng)格劃分和動網(wǎng)格

數(shù)值仿真的第1步是網(wǎng)格劃分，仿真能夠順利運(yùn)行和仿真結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵步驟也是網(wǎng)格劃分。

相對于整個(gè)閥體結(jié)構(gòu)來說，由于閥芯結(jié)構(gòu)尺寸比較小，假如運(yùn)用自動四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格數(shù)量會很大且網(wǎng)格質(zhì)量不會很好，導(dǎo)致仿真不能進(jìn)行。同時(shí)如果選擇自動四面體網(wǎng)格的劃分方式就意味著網(wǎng)格的更新方式只能是彈性光順法和網(wǎng)格重構(gòu)法，這對計(jì)算機(jī)硬件要求極高。為了兼顧網(wǎng)格生成質(zhì)量、數(shù)量以及動網(wǎng)格技術(shù)能選用鋪層法，選擇全六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式對發(fā)射閥內(nèi)部流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

為模擬發(fā)射閥在開啟過程中的各種性能以及流場分布，需要使用動網(wǎng)格技術(shù)［7］。動網(wǎng)格即流場區(qū)域的某個(gè)邊界是隨時(shí)間而運(yùn)動的，這個(gè)運(yùn)動可以是固體物的直線運(yùn)動或是繞著重心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可以是預(yù)定的運(yùn)動速度，也可以是隨著當(dāng)前時(shí)間解的改變而變化的運(yùn)動速度。邊界的新位置由Fluent自動執(zhí)行更新。Fluent內(nèi)置的滑移網(wǎng)格技術(shù)提供了將靜網(wǎng)格區(qū)域和動網(wǎng)格區(qū)域這兩部分網(wǎng)格連接起來的方法。

在進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）建模時(shí)，選取閥座與閥芯處氣流流經(jīng)的發(fā)射閥內(nèi)流道以及與之相連的管道作為數(shù)值仿真的計(jì)算域。利用ICEM對所選定的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分好的網(wǎng)格模型如圖4所示，閥芯處的網(wǎng)格劃分放大圖見圖 5，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)1 082 356個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)1 042 270個(gè)。

圖4　發(fā)射閥內(nèi)流場模型及網(wǎng)格劃分Fig.4　Model of interior flow field in launch valve and meshing

圖5　發(fā)射閥閥芯處網(wǎng)格劃分Fig.5　Meshing of launch valve core

1.4邊界條件及求解器設(shè)置

由于流體介質(zhì)工況壓力較高，前后壓差較大，按照可壓縮流體計(jì)算，采用基于密度的求解器，流體介質(zhì)采用理想氣體模型。求解模型采用剪切壓力傳輸（SST）k-ω模型。將發(fā)射閥入口指定為壓力入口邊界條件，利用渦輪泵發(fā)射數(shù)學(xué)模型求得的發(fā)射氣瓶出口壓力［8］作為壓力輸入值；發(fā)射閥出口使用壓力出口邊界條件，同樣采用渦輪泵發(fā)射數(shù)學(xué)模型求得的渦輪機(jī)進(jìn)氣口壓力［9］作為壓力出口邊界條件的設(shè)定值，其余均采用壁面邊界條件。計(jì)算時(shí)對流場入口進(jìn)行初始化處理，時(shí)間步長為定步長0.001 s，仿真結(jié)束時(shí)間為第0.86 s。為了更好地觀察流場隨著發(fā)射閥閥芯運(yùn)動的變化，可在計(jì)算開始前設(shè)置相關(guān)流場的動畫以方便觀測整個(gè)流場的變化情況。

2　仿真結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果的分析處理可以使用Fluent中提供的后處理功能，也可以對流場空間分布的顯示使用可視化的方法，從而使仿真結(jié)果更加直觀［10］。由于發(fā)射閥內(nèi)流場仿真屬于非定常流動，需要對幾個(gè)特定的時(shí)刻點(diǎn)的瞬態(tài)流場進(jìn)行分析。

2.1仿真結(jié)果

1） 閥芯剛開啟不久時(shí)的流場分布（t=0.05 s）

圖6～圖11分別是閥芯剛開啟不久時(shí)的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖分布。

圖6　z=0豎直平面壓力云圖（t=0.05 s）Fig.6　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.05 s

圖7　y=0水平平面壓力云圖（t=0.05 s）Fig.7　Pressure contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.05 s

圖8　z=0豎直平面速度云圖（t=0.05 s）Fig.8　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.05 s

圖9　y=0水平平面速度云圖（t=0.05 s）Fig.9　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.05 s

圖10　z=0豎直平面速度矢量圖（t=0.05 s）Fig.10　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.05 s

圖11　y=0水平平面速度矢量圖（t=0.05 s）Fig.11　Velocity vector diagram of horizontal plane（y=0）when time is 0.05 s

圖12　z=0豎直平面壓力云圖（t=0.4 s）Fig.12　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.4 s

圖13　z=0豎直平面速度云圖（t=0.4 s）Fig.13　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.4 s

在閥芯剛剛開啟的短時(shí)間內(nèi)，從圖 6～圖 11可以看出，由于閥芯開啟面積較小，氣體速度極快，閥芯內(nèi)氣體流速達(dá)到 660 m/s以上，而閥體內(nèi)氣流速度不明顯；閥芯開啟時(shí)間極短，只有少量的氣體通過特形孔進(jìn)入閥芯部位，所以閥芯壓力提高的區(qū)域較少，集中在閥芯中間區(qū)域，而閥體內(nèi)壓力變化尚不太明顯。

2） 閥芯開度達(dá)到一半時(shí)的流場分布（t=0.4 s）圖12～圖14分別是閥芯開啟一半時(shí)的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖分布。在閥芯位置由剛開啟不久運(yùn)動到開啟一半時(shí)，閥芯開啟面積增大，進(jìn)入閥芯內(nèi)氣體增多，壓力增大；而氣流速度也隨著開啟面積的增大而相對降低，由此，閥芯處的能量損失也會降低。

3） 閥芯開度達(dá)到最大時(shí)的流場分布（t=0.8 s）圖15～圖20分別是閥芯開度達(dá)到最大時(shí)的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖分布。從云圖可見，當(dāng)閥芯運(yùn)動到位不再移動后，閥體內(nèi)壓力降低，閥芯處壓力增高，而氣流速度隨之降低。

圖14　z=0豎直平面速度矢量圖（t=0.4 s）Fig.14　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.4 s

圖15　z=0豎直平面壓力云圖（t=0.8 s）Fig.15　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.8 s

圖16　y=0水平平面壓力云圖（t=0.8 s）Fig.16　Pressure contours of horizontal plane（y=0）when time is 0.8 s

圖17　z=0豎直平面速度云圖（t=0.8 s）Fig.17　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.8 s

圖18　y=0水平平面速度云圖（t=0.8 s）Fig.18　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.8 s

圖19　z=0豎直平面速度矢量圖（t=0.8 s）Fig.19　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.8 s

圖20　y=0水平平面速度云圖（t=0.8 s）Fig.20　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.8 s

2.2結(jié)果分析

從上述瞬態(tài)壓力云圖、瞬態(tài)速度云圖和瞬態(tài)速度矢量圖可以看出，當(dāng)流體通過閥芯特形孔處，流速增大，壓力減小，這是由于過流斷面面積在閥芯處突然減小導(dǎo)致的。隨著時(shí)間的推進(jìn)，發(fā)射閥閥體內(nèi)壓力逐漸降低，閥芯處壓力逐漸上升，閥芯特形孔處速度隨著開度的不斷增加而降低。

從各個(gè)時(shí)間段的壓力云圖得知，最大壓力分布在閥體內(nèi)部，而在閥芯開口處，壓力梯度變化最大，顯然發(fā)射閥內(nèi)部流場的壓降主要集中在此；從水平平面壓力圖發(fā)現(xiàn)，中間部分的壓力高于四周壓力，這是由于氣體通過 4個(gè)特形孔后會由水平運(yùn)動轉(zhuǎn)為豎直運(yùn)動，在閥芯中間部位發(fā)生碰撞堆積，導(dǎo)致中間部位壓力較高。

從各個(gè)時(shí)間段的速度云圖看出，發(fā)射閥閥體內(nèi)部速度均勻，在特形孔處速度加大，閥芯開口稍下方達(dá)到最大流速，最小流速出現(xiàn)在主流道貼近壁面的區(qū)域；從水平平面速度分布云圖也可以發(fā)現(xiàn)特形孔處速度較大，而閥芯中間部位發(fā)生氣體碰撞堆積導(dǎo)致速度降低，并形成了大小不一的漩渦。

從各個(gè)時(shí)間段的速度矢量圖可見，在閥體內(nèi)部速度矢量分布均勻，同時(shí)由于流道結(jié)構(gòu)特性，在特形孔出口貼近壁面處出現(xiàn)了漩渦區(qū)；從水平平面速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，閥體環(huán)繞閥芯的環(huán)形區(qū)域中氣體分別按順時(shí)針和逆時(shí)針方向流向最近的特形孔，通過特形孔匯聚在閥芯中間產(chǎn)生了漩渦，并且在各個(gè)特形孔之間的區(qū)域也產(chǎn)生了較小的漩渦，可見氣體在流道中的流動并不是簡單的軸對稱 2D流動，這是由于發(fā)射閥進(jìn)氣口和出氣口各只有一個(gè)，這種結(jié)構(gòu)的不對稱性導(dǎo)致了流動的不對稱，形成了漩渦。

3　結(jié)論

文中基于商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對雷彈發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)急發(fā)射狀態(tài)下發(fā)射閥內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到的流場數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論:

1） 當(dāng)流體流過過流斷面面積突然減小的閥芯處時(shí)，流速增大，壓力減?。?/p>

2） 閥芯開口處壓力梯度變化最大，發(fā)射閥內(nèi)部流場的壓降主要集中在此；

3） 閥芯內(nèi)流場中速度最大的區(qū)域不在特形孔處，而是在稍下方流場；

4） 閥體環(huán)繞閥芯的環(huán)形區(qū)域中氣體分別按順時(shí)針和逆時(shí)針方向流向最近的特形孔，并不是簡單的軸對稱2D流動。

數(shù)值仿真中獲得的流場數(shù)據(jù)不僅可以為發(fā)射閥流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)還可為研究雷彈發(fā)射系統(tǒng)的振動與氣動噪聲研究提供參考。

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（責(zé)任編輯: 許妍）

Analysis on Flow Field in Launch Valve of Submarine′s Torpedo and Missile Launch System under Emergency Launch Condition

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

The purpose of launch valve in submarine′s torpedo and missile launch system is to control the flow and pressure of gas，so as to ensure the accuracy of launching process.In this paper，a mathematical model of flow field in the launch valve under emergency launch condition is established with commercial CFD software，and the model is simulated by means of the shear stress transmission（SST）k-ωmodel and dynamic mesh technique.Simulation results show detailed and intuitive distributions of transient pressure and transient velocity of the interior flow field at all stages.These results can provide a theoretical basis for optimization design of channels of the launch valve，and can also provide a reference for research of vibration and aerodynamic noise of the submarine launch system.

torpedo and missile launch system；launch valve；flow field simulation；dynamic mesh；emergency launch；aerodynamic noise

TJ635；O352

A

1673-1948（2016）03-0235-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.014

2016-01-07；

2016-01-30.

王賢明（1991-），男，在讀碩士，研究方向?yàn)樗掳l(fā)射技術(shù).