筒口氣體射流下航形體出筒流場(chǎng)特性研究

陳飛宇，余文輝，趙世平，程 棟，袁緒龍

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州，450015；2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州，450015；3. 西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安，710072)

0 引 言

筒口氣體射流降載技術(shù)主要是指在實(shí)施航行體水下發(fā)射時(shí)通過(guò)特定的裝置或方式在筒口附近產(chǎn)生一定壓力的工質(zhì)氣體，這些氣體包裹在航形體和筒口裝置周圍，使其在一段時(shí)間內(nèi)與水隔離[1–2]。航形體發(fā)射時(shí)，筒口氣體射流裝置噴射出工質(zhì)氣體對(duì)航形體外部形成保護(hù)，不僅可以減小航形體所受橫向載荷，而且可以保證航形體具有較穩(wěn)定的出筒姿態(tài)，氣體的存在還可以改變出筒時(shí)航形體頭部空泡的生成，從而緩解空泡潰滅時(shí)航形體的受載狀態(tài)，另外還可以減小筒口壓力場(chǎng)對(duì)筒蓋的沖擊[3]。

由于其工作環(huán)境介質(zhì)是壓縮性可以忽略不計(jì)的重流體介質(zhì)水，水下高溫燃?xì)馍淞骷捌渑c水流場(chǎng)的相互作用則成為筒口氣體射流保護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。氣體射流發(fā)生器產(chǎn)生燃?xì)獾墓ぷ鬟^(guò)程是一個(gè)多相瞬態(tài)流動(dòng)與航形體運(yùn)動(dòng)耦合的復(fù)雜問(wèn)題，燃?xì)馀c水之間不但發(fā)生傳熱、傳質(zhì)、相變等復(fù)雜現(xiàn)象，而且存在著激烈的流體動(dòng)力干擾和壓力場(chǎng)的傳遞。與此同時(shí)，燃?xì)馍淞饕鹄@航形體水流場(chǎng)中壓力等諸多物理量的脈動(dòng)[4–5]。由于該過(guò)程涉及到多相瞬態(tài)流問(wèn)題，很難用解析方法進(jìn)行求解，多采用數(shù)值仿真方法，通過(guò)建立多相流模型模擬航行體出筒過(guò)程，并對(duì)水動(dòng)力載荷和壓力場(chǎng)開展研究[6–7]。

本文采用CFD軟件Fluent中mixture多相流模型，建立航形體出筒過(guò)程流場(chǎng)計(jì)算模型，以燃?xì)?、水為工作介質(zhì)，通過(guò)內(nèi)嵌UDF控制航形體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，仿真計(jì)算從燃?xì)鈬娮扉_始工作到航形體完全出筒時(shí)刻水和燃?xì)舛嘞嗔鲌?chǎng)形成及演變的非定常過(guò)程，監(jiān)視預(yù)定義的航形體表面測(cè)點(diǎn)壓力，初步分析了航形體出筒過(guò)程氣體分布情況、水動(dòng)力載荷和表面壓力分布規(guī)律。

1 仿真模型

1.1 多相流模型控制方程

1）混合物模型的連續(xù)方程

混合物模型的連續(xù)方程為：

這里是質(zhì)量平均速度：

式中：為第k相的體積分?jǐn)?shù)；描述了由于氣穴或用戶定義的質(zhì)量源的質(zhì)量傳遞。

2）混合物模型的動(dòng)量方程

動(dòng)量方程可以通過(guò)對(duì)所有相各自的動(dòng)量的方程求和來(lái)獲得?？杀硎緸椋?/p>

3）第二相的體積分?jǐn)?shù)方程

第二相的體積分?jǐn)?shù)方程為：

1.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

對(duì)研究對(duì)象采用縮比尺寸建模，計(jì)算域形狀與邊界條件如圖1所示。計(jì)算域的遠(yuǎn)場(chǎng)均設(shè)為壓力邊界，垂向的壓力邊界壓力按實(shí)際情況指定，即水面以下按照重力梯度設(shè)置壓力。發(fā)射筒底設(shè)置壓力入口，筒壁和航形體表面設(shè)定為無(wú)滑移的固壁邊界，筒口平臺(tái)設(shè)置為壁面，平臺(tái)以上的柱形區(qū)域的左側(cè)外邊界設(shè)置為壓力入口，右側(cè)外邊界設(shè)置為壓力出口。

選用圖1所用的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用滑移接口實(shí)現(xiàn)航形體體及周圍網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域頂端和低端采用Layer方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的生長(zhǎng)和消失，其網(wǎng)格的生成和消亡位置均采用六面體規(guī)則網(wǎng)格，既有利于網(wǎng)格的更新又能改善數(shù)值解的精度。航形體頭部由于為非規(guī)則外形，至少一個(gè)面無(wú)法采用map或submap劃分，因此采用Cooper創(chuàng)建網(wǎng)格。整場(chǎng)網(wǎng)格足夠細(xì)密，使計(jì)算結(jié)果不存在網(wǎng)格依賴性。

為獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，使用漸變網(wǎng)格劃分方式。將靠近航形體位置網(wǎng)格細(xì)密，遠(yuǎn)場(chǎng)較為稀疏。采用三維軸對(duì)稱處理，節(jié)省計(jì)算資源。按照以上要求劃分網(wǎng)格，計(jì)算域的網(wǎng)格劃分如圖2所示，燃?xì)鈬娮炀W(wǎng)格區(qū)域放大如圖3所示。

1.3 動(dòng)網(wǎng)格控制技術(shù)

由于航形體在計(jì)算過(guò)程中為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，航形體的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起流場(chǎng)網(wǎng)格的變化，所以運(yùn)用了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，在計(jì)算過(guò)程中，首先根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻流場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)，計(jì)算出下個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)作用下的位移，然后將這些參數(shù)賦予運(yùn)動(dòng)邊界，更新計(jì)算區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)格，得到新時(shí)刻的流場(chǎng)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)射過(guò)程中流場(chǎng)的非定常數(shù)值模擬。在本研究中，航形體運(yùn)動(dòng)的整個(gè)通道需要不斷更新網(wǎng)格，所以將航形體運(yùn)動(dòng)通道設(shè)置為變形區(qū)域，而通道外側(cè)部分設(shè)置為固定區(qū)域。根據(jù)動(dòng)網(wǎng)格的需要，編寫了UDF（自定義函數(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)航形體的運(yùn)動(dòng)。UDF文件包括主要內(nèi)容為：航形體運(yùn)動(dòng)控制、流體網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)控制、并行計(jì)算控制、重力梯度壓力入口邊界指定等。動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域設(shè)置如圖4所示。

1.4 計(jì)算模型選擇

由于本文中涉及流體動(dòng)網(wǎng)格，并且使用了滑移速度，求解中使用到混合相的連續(xù)性方程，混合的動(dòng)量方程，氣液兩相流選用Mixture模型更能夠模擬包含燃?xì)獾暮叫误w發(fā)射流場(chǎng)。同時(shí)氣體射流引起的壓力場(chǎng)屬于高Re數(shù)、湍流問(wèn)題，湍流模型選用k-ε模型。

2 仿真結(jié)果分析

在Fluent計(jì)算時(shí)運(yùn)用了自編的UDF函數(shù)和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)使模型更加完善。建立壓力測(cè)點(diǎn)布局方案，航形體表面分布16圈壓力測(cè)點(diǎn)，每圈均勻布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見圖5），計(jì)算分析了航形體各截面載荷變化規(guī)律。

2.1 航形體出筒流場(chǎng)特性

發(fā)射前，燃?xì)鈬娮焓紫葒姎?.4 s，形成燃?xì)馀?，然后航形體開始按照試驗(yàn)測(cè)得的軸向運(yùn)動(dòng)規(guī)律開始運(yùn)動(dòng)。筒口氣體演化過(guò)程如圖6所示?？梢姡瑖娮煸诎l(fā)射筒方案形成燃?xì)馀?，氣泡一邊膨脹一邊在橫向流作用下向下游漂移，多噴嘴噴出的燃?xì)馀葜饾u融合。

2.2 無(wú)氣體射流出筒載荷特性

2.2.1 航形體軸向壓力分布規(guī)律

圖7展示的是無(wú)氣體射流出筒條件下t=0.4 s時(shí)的壓力分布云圖。從云圖中可以看出，航形體完全出筒時(shí)，在橫流作用下表現(xiàn)為航行體攻角的非對(duì)稱壓力分布，迎流面壓力高于背流面。

圖8給出了無(wú)氣體射流時(shí)航形體迎流面與背流面壓力軸向分布規(guī)律，可見在頭部迎流面壓力顯著高于背流面，而在圓柱段壓差較小，因此可以推斷：橫流作用下，法向力和對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力矩主要由頭部產(chǎn)生。

2.2.2 航形體周向壓力分布規(guī)律

航形體完全出筒時(shí)，距離前端面不同位置處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力周向分布規(guī)律如圖9和圖10所示。從圖中可以看出，頭部測(cè)點(diǎn)迎、背流壓差較大，周向壓力分布近似余弦分布規(guī)律，而圓柱段上的迎背流壓差較小，分布規(guī)律逐漸偏離余弦分布規(guī)律。

2.3 氣體射流降載效果研究

通過(guò)對(duì)2種工況下航形體受到的法向力和彎矩進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在0.52～0.65 s之間，氣體射流引起了法向力和彎矩的顯著降低，在0.65～0.68 s之間又有所上升。結(jié)合氣體射流形態(tài)分析可知，在該段時(shí)間內(nèi)射流氣體幾乎融為一體，完全包裹了航形體出筒部分，降低了迎背流壓差，而在0.65～0.68 s之間航形體頭部離開氣泡區(qū)，降載效果減弱。此外，在氣體噴射初期，出筒載荷有波動(dòng)，主要考慮形成穩(wěn)定氣體通道區(qū)需要一個(gè)過(guò)程，可能會(huì)加劇航形體載荷。

2.4 試驗(yàn)與仿真對(duì)比

根據(jù)筒口氣體射流降載技術(shù)試驗(yàn)，得到不同時(shí)刻的氣體分布圖，將其與不同時(shí)刻下的仿真氣相圖（氣相比取0.1）進(jìn)行對(duì)比（見圖12）。可以看出仿真得到的氣相分布與試驗(yàn)錄像達(dá)到較高的吻合度，可以證明仿真的結(jié)果可信度。此外，通過(guò)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，二者曲線變化趨勢(shì)基本一致，也進(jìn)一步驗(yàn)證仿真方法的有效性，如圖13所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Fluent多相流模型，采用UDF控制航形體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，模擬了筒口氣體射流下航形體發(fā)射過(guò)程的流場(chǎng)特性，獲得了全沾濕和氣體射流2種工況下的氣體演化規(guī)律，計(jì)算出了航行體表面的載荷分布特性，并對(duì)氣體射流的降載效果進(jìn)行了分析，最后基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)航行體氣體射流發(fā)射的仿真研究發(fā)現(xiàn)，出筒過(guò)程中射流氣體覆蓋了航形體頭部和部分圓柱段，并逐漸形成了一個(gè)氣體通道，顯著降低了航形體出筒載荷，有效改善航行體的發(fā)射環(huán)境。

2）從載荷曲線圖可以看出，氣體從開始噴射到形成穩(wěn)定氣體通道需要一個(gè)過(guò)程，此時(shí)航形體迎、背流面壓差較大，會(huì)加劇航行體出筒載荷，為了消除此階段的影響，可以考慮采用提前噴射氣體的方案。

3）仿真得到的射流氣體分布規(guī)律、載荷變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到較高的一致性，可以驗(yàn)證仿真方法的有效性，為航形體氣體射流降載的研究提供技術(shù)手段。

本文的建模方法和仿真結(jié)果對(duì)航行體出筒降載研究，具有一定的工程參考價(jià)值，也為航形體發(fā)射具備良好的彈道環(huán)境提供技術(shù)支撐。

[1] LIU Zhi-yong, YI Shuqun, YAN Kai, et al. Numerical simulation of water-exit cavity[J]. (CAV2003) Osaka, Japan,2007, (10): 1–4.

[2] VAIBHAV K.A, ASHWANI K.J. Jet characteristics from a submerged combustion system[J]. Journal of Applied Energy,2012, 89(1): 246–253.

[3] LOU Jing, LI Jian. Two dimensional simulation of the collapse of vapor bubbles near a wall[J]. Journal of Fluid Engineering,2008, 130: 091–301.

[4] 尚書聰, 孫建中, 程棟. 筒口氣幕環(huán)境下的航形體出筒姿態(tài)數(shù)值仿真[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 428–433.

[5] 尚書聰, 孫建中, 程棟, 等. 筒口氣幕環(huán)境的航形體出筒過(guò)程受力影響[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 1423–1434.

[6] 甘曉松, 賈有軍, 魯傳敬. 水下燃?xì)馍淞髁鲌?chǎng)數(shù)值研究[J]. 固體火箭技術(shù), 2009, 23–26.

[7] 許佳偉. 不同深度下航形體水下點(diǎn)火燃?xì)馍淞髁鲌?chǎng)數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.