水下容器開啟過程流場特性仿真研究

顏 鳳，李 罡，彭澤明

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

水下容器開啟過程流場特性仿真研究

顏 鳳，李 罡，彭澤明

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

水下容器開啟過程中，海水快速灌入容器內(nèi)，對載體的平衡產(chǎn)生較大的影響。采用Mixture多相流計算模型求解氣液兩相流場，網(wǎng)格更新方法采用域動分層法，對不同開啟角度進行數(shù)值計算。結(jié)果表明：開啟角度越小，容器底部壓力和容器內(nèi)部進水量波動越大，且峰值越大，隨著開啟角度的增大，兩者波動范圍有所減緩，研究成果可為水下容器總體設(shè)計、系統(tǒng)使用流程優(yōu)化提供理論支撐。

水下容器；Mixture模型；多相流；壓力場

0 引 言

水下航行器離開載體時，保持水下載體的姿態(tài)穩(wěn)定尤為重要，由于航行器與海水的重量差以及海水灌入容器內(nèi)所形成水錘效應(yīng)對載體姿態(tài)控制會產(chǎn)生不利影響，而水下容器不同的開啟角度所引起的底部壓力和進水量也不同。在公開發(fā)表的文獻中，關(guān)于開啟角度的研究大多集中于蓋體結(jié)構(gòu)受力影響分析[1]，對于開啟角度不同所引起的底部壓力和進水量變化的研究很少。本文采用Mixture多相流計算模型[2]求解氣液兩相流場，對水下航行器離開容器的過程進行數(shù)值模擬，研究了不同開啟角度的條件下底部壓力及容器進水量的變化情況。

1 數(shù)學(xué)建模

1.1 物理模型

水下航行器離開容器[3]的物理模型如圖1所示，由水下容器、航行器、海水域3部分所組成。航行器初始位置位于容器內(nèi)，海水域為容器蓋口與海平面之間的區(qū)域，為方便建模選取海水域直徑為10倍容器直徑的范圍。水下航行器離開載體時，產(chǎn)生復(fù)雜的氣液兩相流。由于物理模型的非軸對稱性，本文采用1:1面對稱三維建模。

1.2 控制方程

采用Fluent軟件對流場進行計算，選用歐拉-歐拉多相流模型中的Mixture模型，Mixture模型通過求解混合物的連續(xù)方程、動量方程、能量方程、次要相的體積分數(shù)方程以及相對速度的代數(shù)方程來模擬多相流。

1）連續(xù)方程

2）動量方程

多相流動量方程通過疊加各相的動量方程獲得：

3）能量方程

4）相對速度與漂移速度

相對速度的定義為：次要相（p）相對于主要相（q）的速度。

漂移速度通過下式與相對速度之間進行聯(lián)系：

5）次要相的體積分數(shù)方程

從次要相p的連續(xù)方程中，可以獲得次要相的體積分數(shù)方程：

6）RNG k-ε湍流模型方程

在RNG k-ε湍流模型[4]中，通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺寸的影響，而這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除，所得到的k方程和ε方程如下：

式中：

2 仿真方法

2.1 控制方程離散

對流體進行計算時，采用有限體積法[5]對控制方程進行離散，其基本思路是將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，使每個網(wǎng)格點周圍有一個互不重復(fù)的控制體積，將待解控制方程對每一個控制體積積分，從而得到一組離散方程。

水下容器、水下航行器、蓋體等壁面附近采用增強型壁面函數(shù)，以便于海水壓力梯度的引入，網(wǎng)格更新采用域動分層法[6]。

2.2 仿真算法

對離散后的控制方程組進行耦合求解，本文采用Simple算法（求解壓力耦合方程組的半隱式方法），它屬于壓力修正法的一種，其核心是采用“預(yù)測-修正”的過程，在交錯網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來計算壓力場，從而達到求解N-S方程的目的。

Simple算法的基本思想如下：對于給定的壓力場（可以是假定的值或是上一次迭代計算所得到的結(jié)果），求解離散形式的動量方程，得到速度場。因為壓力場是假定的或不精確的，這樣得到的速度場一般不滿足連續(xù)方程，因此必須對給定的壓力場加以修正。修正的原則是與修正后的壓力場相對應(yīng)的速度場能滿足這一迭代層次上的連續(xù)方程。據(jù)此原則，將由動量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式，從而得到壓力修正方程，由壓力修正方程得出壓力修正值。接著，根據(jù)修正后的壓力場，求得新的速度場。然后檢查速度場是否收斂，若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場，開始下一層次的計算，如此反復(fù)，直到獲得收斂的解，求解步驟如圖2所示。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 不同開啟角度對容器底部壓力和容器內(nèi)進水量的影響

航行器位于指定深度，以給定的速度向上運動，為研究不同開啟角度對容器底部壓力和容器內(nèi)進水量的影響，對蓋體開啟角度為α1，α2，α3（90°＜α1＜α2＜α3）的約束狀態(tài)進行數(shù)值計算。

圖3所示為3種開啟角度下航行器在整個運動過程中容器底部壓力隨時間的變化曲線。由曲線可知，3種工況下容器底部壓力分別在t1，t2，t3時刻達到峰值P1，P2，P3，且t1＜t2＜t3，P1＞P2＞P3，說明蓋體開啟角度越小，容器底部壓力峰值越大，且達到峰值的時刻越早。

圖4所示為3種開啟角度下容器內(nèi)進水量隨時間的變化曲線。由曲線可知，3種工況下容器內(nèi)進水量分別在t1，t2，t3時刻達到峰值m1，m2，m3，且t1＜t2＜t3，m1＞m2＞m3，說明蓋體開啟角度越小，容器內(nèi)進水量越大，且達到峰值的時刻越早。

結(jié)合圖3和圖4可知，開蓋角度為α1時，容器底部壓力曲線和進水量曲線震蕩最劇烈，峰值最大，隨著開蓋角度的增加，兩者震蕩幅度均有所減緩，峰值也略有降低。據(jù)此可判斷，開蓋角度越小，海水進入容器的流速越大，對容器底部的沖擊作用力越大，水錘現(xiàn)象[7]越明顯。

3.2 容器底部壓力和容器內(nèi)進水量變化機理分析

為研究容器底部壓力和容器內(nèi)進水量變化規(guī)律，延長約束狀態(tài)仿真時間。圖5和圖6所示為開蓋角度α1時，容器底部壓力和容器內(nèi)進水量、容器底部溫度和容器內(nèi)進水量隨時間變化曲線。由曲線可知，在容器內(nèi)動力系統(tǒng)的作用下，底部壓力和溫度在t1時刻出現(xiàn)第一個峰值P1和T1，之后隨著航行器離開載體的運動而急劇下降，同時海水開始進入容器內(nèi)。海水受重力作用逐漸壓縮動力系統(tǒng)的殘余氣體從而產(chǎn)生壓縮波[8]，壓縮波互相疊加，使底部壓力達到第2個峰值P2，并形成第1次水錘效應(yīng)，此時容器內(nèi)進水量達到第1個峰值m1，容器底部溫度降至最低并保持穩(wěn)定。壓縮波撞擊容器底部后開始反彈為膨脹波，將容器內(nèi)的海水排擠出容器外。從圖中可看出，進水量m在逐漸減小，同時底部壓力降低。之后底部壓力和進水量在海水壓力、壓縮波、膨脹波的作用下繼續(xù)按此規(guī)律變化，隨著能量的損失以及海水、氣體壓力差值的不斷減小，水錘效應(yīng)逐漸減弱，底部壓力峰值也逐漸減弱并趨于穩(wěn)定，容器內(nèi)進水量同樣也逐步趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

本文采用Mixture兩相流計算模型，通過設(shè)定不同的容器開啟角度，對水下航行器離開容器過程中容器底部壓力和容器內(nèi)進水量進行仿真計算，仿真結(jié)果表明：

1）容器開啟角度越小，底部壓力和進水量越大，且震蕩越劇烈；底部壓力較進水量的波動幅度更大；隨著時間的推移，兩者逐漸趨于穩(wěn)定；

2）容器底部壓力震蕩所產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象是由海水壓力和殘余氣體壓力兩者互相作用所產(chǎn)生的壓縮波沖擊容器底部而引起的；

3）進水量的變化是由于壓縮波、膨脹波所引起的底部壓力波動而引起的，在壓縮波形成過程中，進水量逐漸增加，壓縮波在底部反彈為膨脹波后，將容器內(nèi)海水排擠出容器外，進水量減少。

所得到的研究成果可為水下容器總體設(shè)計、系統(tǒng)使用流程優(yōu)化提供理論支撐。

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Flow characteristics simulation of the opening process of underwater container

YAN Feng, LI Gang, PENG Ze-ming
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

During the opening of the underwater container, seawater injects into the container expeditiously, which exerts an influence on the stability of the carrier. The Mixture multiphase method was used to calculate the gas-liquid flow field, the zone moving and dynamic laying was used to update the meshes. The different opening angle conditions were simulated, the result of the simulation shows that the fluctuate of the pressure at the bottom of the container and the mass of water injecting into the container are acuter, when the openning angle is smaller, as well as the peak valve. With the increase of the opening angle, the fluctuate becomes gentle. The research can provide theoretical support for the design of underwater container and the optimization of the process.

underwater container；Mixture model；multiphase flow；pressure field

U664.6

A

1672 – 7649(2017)08 – 0124 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.026

2016 – 07 – 18；

2016 – 08 – 08

顏鳳(1987 – )，女，工程師，主要從事船舶武器總體技術(shù)研究。