航行器發(fā)射氣密環(huán)開孔透氣數(shù)值分析和試驗(yàn)研究

秦麗萍，程 棟，趙世平，楊興林

(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. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

水下發(fā)射航行器出筒過程中，為平衡航行器的橫向流體作用力，通常在航行器與筒壁間布置橫向約束裝置，一般是隨模型出筒的適配器+尾部氣密環(huán)方案和固定在筒壁的減震墊-氣密環(huán)方案，固定在筒壁的減震墊-氣密環(huán)方案可以重復(fù)使用且沒有發(fā)射分離物安全性更高，是發(fā)射航行器與發(fā)射筒間適配方案發(fā)展的趨勢(shì)[1]。通常多圈氣密環(huán)按一定規(guī)律間隔固定在發(fā)射筒內(nèi)壁，起到發(fā)射過程壓力保持的作用，同時(shí)在相應(yīng)氣密環(huán)上開設(shè)均壓聯(lián)通孔，使氣密環(huán)在航行器尾部通過之前提前透氣，以控制各環(huán)腔發(fā)射過程筒內(nèi)壓力分布，降低航行器結(jié)構(gòu)載荷及氣密環(huán)承受的壓差載荷。

發(fā)射出筒過程持續(xù)的時(shí)間很短，而筒內(nèi)的流場(chǎng)復(fù)雜，很長(zhǎng)時(shí)間以來側(cè)重于發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)彈道的研究，而對(duì)發(fā)射筒內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行專門的研究較少，張續(xù)軍等[2]采用動(dòng)網(wǎng)格等數(shù)值計(jì)算方法對(duì)發(fā)射筒內(nèi)壓強(qiáng)、溫度、速度等流場(chǎng)的變化進(jìn)行分析，研究主要側(cè)重于航行器運(yùn)動(dòng)規(guī)律和載荷環(huán)境，但并未計(jì)入氣密環(huán)各環(huán)腔、氣密環(huán)開孔局部結(jié)構(gòu)及透氣對(duì)筒內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律的影響。

閻晴霄等[3]采用理論計(jì)算方法在發(fā)射內(nèi)彈道計(jì)算模型中嵌入小孔透氣計(jì)算模塊，在通氣孔二次透氣較小不考慮多腔體連續(xù)漏氣情況的假設(shè)下開展的計(jì)算，獲得了氣密環(huán)開孔后氣體的漏氣規(guī)律，為氣密環(huán)的設(shè)計(jì)提供一定的幫助，但在實(shí)際發(fā)射航行器出筒過程中，航行器尾部依次通過氣密環(huán)，各腔體間氣體是快速聯(lián)通的，即在最下圈氣密環(huán)向其上腔體透氣的過程中，其上相鄰氣密環(huán)同時(shí)存在透氣至其上腔體的情況。

本文采用數(shù)值仿真分析和地面動(dòng)態(tài)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)合的方法，獲得了發(fā)射過程氣密環(huán)上小孔透氣的流量規(guī)律、各環(huán)腔壓力分布規(guī)律，對(duì)比分析了2種規(guī)格氣密環(huán)開孔條件下的透氣規(guī)律，研究多腔串聯(lián)工況氣密環(huán)開孔透氣的規(guī)律。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型

筒內(nèi)初始空氣、入口燃?xì)饧八羝y(tǒng)一假設(shè)為一種理想氣體，物性基本接近燃?xì)?，不考慮其組成和性質(zhì)的變化以及水蒸汽的相變，視為理想氣體，不考慮筒內(nèi)水蒸氣相變、不考慮氣流與固體壁面的熱傳導(dǎo)、不考慮通氣孔摩擦、熱傳遞等能量損失。

筒底燃?xì)夤べ|(zhì)氣體入口參數(shù)暫按均勻流場(chǎng)的入口質(zhì)量流率（燃?xì)?、水蒸氣）、入口混合氣體總溫，及燃?xì)?、水蒸氣、空氣的物性參?shù)給出，并以設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)地面動(dòng)態(tài)發(fā)射試驗(yàn)提供的腔底壓力曲線、彈道曲線等數(shù)據(jù)，擬合燃?xì)馊肟谳斎雲(yún)?shù)，在幾何模型中，建立燃?xì)馊肟谕部趲缀涡螤睢?/p>

氣密環(huán)采用超彈性材料和特定的結(jié)構(gòu)，實(shí)際發(fā)射過程承受壓差會(huì)有明顯的變形，且由于航行器在筒中的橫向偏移，會(huì)造成迎流背流兩側(cè)不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變形和附近的不同的氣體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，氣密環(huán)上開設(shè)的小孔形狀及實(shí)際的透氣面積會(huì)發(fā)生很大的變化，對(duì)氣體的流動(dòng)情況有所影響，在本模型中不考慮以上因素，把氣密環(huán)作為剛體，僅考慮了開孔處的氣體流動(dòng)情況。

航行器阻力假設(shè)為定值，航行器底部運(yùn)動(dòng)隨筒內(nèi)壓強(qiáng)變化而變化。

根據(jù)以上分析，為研究氣密環(huán)透氣條件下各環(huán)腔壓力分布，建立三維流場(chǎng)計(jì)算模型，如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

1）被氣密環(huán)隔開的各腔體網(wǎng)格劃分

在航行器底部以上部分各腔體由于腔體幾何結(jié)構(gòu)尺寸等問題，采用對(duì)每個(gè)腔體進(jìn)行環(huán)形切塊的方法對(duì)腔體進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，即將每個(gè)腔體都切割成12個(gè)小塊，結(jié)合Map和Cooper方法，實(shí)現(xiàn)每個(gè)腔體網(wǎng)格都結(jié)構(gòu)化的要求。

2）底腔部分網(wǎng)格劃分

底腔容積部分因其不在動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，所以除了入口部分外，都采用Tet/Hybrid技術(shù)實(shí)現(xiàn)自由網(wǎng)格劃分，在適當(dāng)控制網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量的前提下，畫出非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。

3）入口部分網(wǎng)格劃分

由于入口部分位置比較特殊，對(duì)于計(jì)算屬于至關(guān)重要的一個(gè)邊界，在充分考慮到計(jì)算要求的情況下，單獨(dú)將入口部分的幾何結(jié)構(gòu)分離出來，并與底腔相連；此方法能夠有效地加強(qiáng)計(jì)算的穩(wěn)定性，同時(shí)入口邊界還能采用Cooper方法畫出六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)入口部分進(jìn)行細(xì)化處理后還能在一定程度上控制計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)量。

4）不同網(wǎng)格之間的連接方法

六面體核心網(wǎng)格技術(shù)是Gambit自動(dòng)地在形狀復(fù)雜的幾何表面采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，在流體的中間采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，二者之間采用金字塔網(wǎng)格過渡，六面體核心網(wǎng)格技術(shù)集成了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格幾何適應(yīng)能力強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)。

5）小孔網(wǎng)格處理

相比整個(gè)流場(chǎng)的尺度規(guī)模，氣密環(huán)開孔部分的處理對(duì)整個(gè)流場(chǎng)計(jì)算非常關(guān)鍵，小孔部分要想在Gambit中要畫出結(jié)構(gòu)網(wǎng)格難度系數(shù)比較大，利用小孔部分不參與滑移網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)交接的特點(diǎn)，對(duì)小孔部分用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格代替計(jì)算，用Tet/Hybrid方法得出的四面體網(wǎng)格，同時(shí)也能很好滿足計(jì)算要求。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 小孔透氣燃?xì)饬髁恳?guī)律

第1和第2圈氣密環(huán)上8個(gè)小孔質(zhì)量流時(shí)間歷程曲線如圖3所示，曲線顯示結(jié)果表明各小孔質(zhì)量流從零開始，隨著筒底建壓開始上升，當(dāng)航行器尾部通過該圈氣密環(huán)，底部氣體快速?gòu)暮叫衅魍脖陂g隙快速泄出，因此小孔的質(zhì)量流迅速減少至平穩(wěn)；第2圈氣密環(huán)8個(gè)小孔的質(zhì)量流明顯分成3個(gè)階段，包括緩慢增加的上升段、突變跳躍增加后逐漸上升和突變跳躍減小至平穩(wěn)的階段，第1個(gè)階段對(duì)應(yīng)通過航行器通過第1圈氣密環(huán)之前，第2個(gè)階段對(duì)應(yīng)航行器通過第1圈氣密環(huán)時(shí)刻至通過第2圈氣密環(huán)之前，第3個(gè)階段對(duì)應(yīng)通過第2圈氣密環(huán)時(shí)刻開始至結(jié)束，第3圈氣密環(huán)的燃?xì)饬髁恳?guī)律與第2圈氣密環(huán)相似。

2.2 各環(huán)腔周向和軸向壓力分布規(guī)律

圖4為環(huán)腔周向和軸向特定點(diǎn)的壓力時(shí)間歷程曲線，可以知道開孔透氣對(duì)壓力的建立存在一定程度的影響，不論周向還是軸向其壓力的建立過程是一致的，軸向方向壓力在階躍增加的地方一致性較差，靠近腔體上部的測(cè)點(diǎn)壓力曲線振蕩現(xiàn)象更明顯。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5給出試驗(yàn)測(cè)試的第2個(gè)氣密環(huán)環(huán)腔壓力測(cè)試曲線，曲線橫軸從航行器運(yùn)動(dòng)時(shí)間零點(diǎn)開始，縱軸為腔體內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)，環(huán)腔布置的6個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)試曲線可以看出，壓力分布規(guī)律基本一致，在跳躍性上升后，各測(cè)點(diǎn)規(guī)律有所差異，主要體現(xiàn)在壓力曲線振蕩的幅值上，而頻率基本一致，圖4所示的數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果也顯示了相應(yīng)的現(xiàn)象，其它腔體在發(fā)射筒軸向上有相同的規(guī)律，這種現(xiàn)象引起的原因可能是當(dāng)航行器尾部通過氣密環(huán)時(shí)該圈氣密環(huán)之前密封的氣體快速補(bǔ)充到其上的環(huán)形空間中，到達(dá)發(fā)射筒壁測(cè)點(diǎn)時(shí)形成一定阻滯效應(yīng)動(dòng)能降低引起壓力快速上升，氣體在到達(dá)下圈氣密環(huán)下的測(cè)點(diǎn)時(shí)動(dòng)能更小壓力上升更多。相較軸向分布的明顯差異，兩圈氣密環(huán)之間形成的環(huán)腔在各方位壓力分布相對(duì)比較均勻。在壓力平穩(wěn)階段一致性很好，在通過前一圈氣密環(huán)時(shí)引起局部的壓力振蕩效應(yīng)時(shí)，由于局部效應(yīng)明顯，壓力振蕩峰值有差異，頻率一致性較好。

圖6和圖7給出了2種氣密環(huán)開孔條件下各環(huán)腔壓力分布曲線，2種狀態(tài)各腔體壓力分布和氣密環(huán)透氣規(guī)律相似，各環(huán)腔壓力與航行器筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律密切相關(guān)，3條階躍上升的腔體壓力與航行器尾部通過3圈氣密環(huán)的時(shí)刻對(duì)應(yīng)，壓力穩(wěn)定上升階段與其穩(wěn)定承壓密封并按特定規(guī)律透氣作用密切相關(guān)，整體分布規(guī)律與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。從2種狀態(tài)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大開孔條件下氣密環(huán)漏氣壓力數(shù)值（壓力階躍上升前最大值）明顯偏大，與氣密環(huán)開孔面積呈正相關(guān)關(guān)系，通過設(shè)計(jì)開孔的尺寸可以調(diào)整發(fā)射過程環(huán)腔壓力的分布，從而調(diào)整航行器表面壓力載荷和氣密環(huán)上下壓差承載，而對(duì)航行器尾部壓力保持影響在極小的量級(jí)，對(duì)內(nèi)彈道參數(shù)影響較小。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)航行器發(fā)射氣密環(huán)-減震墊方案下的氣密環(huán)各環(huán)腔發(fā)射壓力分布情況，完成了數(shù)值仿真研究、地面發(fā)射試驗(yàn)研究，獲得了發(fā)射過程氣密環(huán)開孔條件下的環(huán)腔壓力分布規(guī)律、影響透氣的關(guān)鍵因素。為氣密環(huán)指標(biāo)論證和設(shè)計(jì)提供了重要支撐，總結(jié)如下：

1）氣密環(huán)材料力學(xué)性能、不同溫度下的力學(xué)性能對(duì)氣密環(huán)的變形影響，在不同壓力的作用下開孔有效面積、流動(dòng)狀態(tài)會(huì)有所不同，采用數(shù)值仿真計(jì)算模型進(jìn)行透氣壓力計(jì)算時(shí)，考慮氣密環(huán)在承壓密封變形過程孔的面積變化規(guī)律，并按剛性孔進(jìn)行設(shè)置的計(jì)算方法開展氣密環(huán)透氣數(shù)值仿真計(jì)算方法可行。

2）在氣密環(huán)上按設(shè)定參數(shù)開設(shè)小孔，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射壓力保持的前提下透氣規(guī)律可控，調(diào)節(jié)航行器表面壓力載荷和氣密環(huán)承受的壓差載荷，采用的計(jì)算方法可用于氣密環(huán)-減震墊方案設(shè)計(jì)。

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