單筒多細(xì)長體航行器水下齊射載荷特性仿真

趙世平, 畢鳳陽, 盧丙舉, 袁緒龍, 秦麗萍

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單筒多細(xì)長體航行器水下齊射載荷特性仿真

趙世平1,2, 畢鳳陽1,2, 盧丙舉1, 2, 袁緒龍3, 秦麗萍1, 2

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第713研究所, 河南 鄭州, 450015; 2. 河南省水下智能裝備重點實驗室, 河南 鄭州, 450015; 3. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

針對單筒內(nèi)密集布置多枚細(xì)長體航行器的水下齊射鄰?fù)残?yīng)問題, 采用流體體積函數(shù)(VOF)和多相流等方法, 結(jié)合用戶自定義函數(shù)(UDF)控制兩發(fā)航行器運動的動網(wǎng)格技術(shù), 考慮懸掛法蘭、筒蓋及潛艇外形等結(jié)構(gòu)對筒口流場特性的影響, 建立了水下垂直齊射三維非定常多相流仿真模型，得到了鄰?fù)菜茴^罩、海水倒灌水錘等載荷特性, 分析了雙發(fā)齊射時首發(fā)航行器對次發(fā)航行器載荷特性的影響, 得到如下結(jié)論: 1) 首發(fā)航行器發(fā)射后筒口流場較快地趨于穩(wěn)定, 次發(fā)航行器時鄰?fù)菜茴^罩載荷稍小于首發(fā)航行器、規(guī)律相似, 即單筒多細(xì)長體齊射筒口流場對齊射間隔影響較小; 2) 航行器發(fā)射后發(fā)射筒內(nèi)外流場較快地趨于穩(wěn)定, 倒灌入發(fā)射筒內(nèi)的海水量相對較少, 可能影響操艇性能; 3) 次發(fā)航行器對首發(fā)航行器的發(fā)射筒內(nèi)水錘載荷特性以及流場特性均有較大影響。文中所做研究可為水下多細(xì)長體航行器密集布置結(jié)構(gòu)方案論證及齊射安全性分析提供參考。

多細(xì)長體航行器; 單筒; 水下齊射; 載荷特性; 多相流

0 引言

采用水下單筒多細(xì)長體航行器密集布置發(fā)射技術(shù), 可以增加潛艇攜帶武器的種類和數(shù)量, 提高潛艇的多用途綜合作戰(zhàn)能力, 這已成為潛載發(fā)射平臺的一個重要發(fā)展方向, 對于促進(jìn)我國潛艇及其武器裝備的發(fā)展具有重要意義[1-2]。航行器水下發(fā)射載荷特性復(fù)雜且對發(fā)射安全性影響很大, 近年來一直作為研究熱點, 取得了較多的研究成果[3-7], 但研究對象大多是關(guān)于“一筒一器”水下發(fā)射載荷特性, 關(guān)于單筒多細(xì)長體航行器的水下發(fā)射載荷特性研究成果很少。

采用水下單筒多細(xì)長體航行器密集布置發(fā)射技術(shù)(其水下發(fā)射流場特性見圖1), 多個發(fā)射筒在一個大筒內(nèi)緊密排列, 相鄰發(fā)射筒之間距離非常小, 以致產(chǎn)生的沖擊振動傳遞到相鄰發(fā)射筒的載荷大大增加; 一個大筒內(nèi)齊射時間間隔短, 航行器發(fā)射引起的流場載荷、結(jié)構(gòu)沖擊載荷等會影響后續(xù)航行器發(fā)射; 航行器水下“冷”發(fā)射底部燃?xì)庖绯霭l(fā)射筒后生成筒口氣泡, 然后進(jìn)行周期性的膨脹-收縮, 而且受到筒口結(jié)構(gòu)影響產(chǎn)生筒口渦流, 在筒口形成一個相對持續(xù)時間較長、作用范圍大的沖擊載荷, 會影響筒蓋[8]、鄰?fù)菜茴^罩安全; 同時海水形似“水錘”沖向發(fā)射筒底, 對發(fā)射筒底產(chǎn)生很大的“水錘”沖擊載荷[9-10], 影響貯運發(fā)射筒等結(jié)構(gòu)安全。

基于以上考慮, 針對水下單筒多細(xì)長體航行器密集布置, 綜合利用FLUENT中流體體積函數(shù)(volume of fluid, VOF)模型、動網(wǎng)格、多相流等先進(jìn)流體仿真技術(shù), 建立水下齊射流場特性三維非定常仿真模型, 獲取鄰?fù)菜茴^罩、水錘效應(yīng)等齊射載荷特性, 為航行器水下齊射安全性、單筒多細(xì)長體航行器發(fā)射裝置方案等研究提供有益參考。

圖1 單筒多細(xì)長體航行器水下發(fā)射流場特性示意圖

1 三維仿真建模

1.1 研究對象及網(wǎng)格

對研究對象建立三維仿真模型, 包括2枚細(xì)長體航行器、發(fā)射筒、水密頭罩、以及影響筒口流場特性的懸掛法蘭、筒蓋和潛艇外形等結(jié)構(gòu), 如圖2所示。由于仿真過程中涉及到2發(fā)航行器的運動, 研究對象具有不對稱性, 故計算區(qū)域選用全模計算。同時, 考慮到計算的經(jīng)濟(jì)性, 對首發(fā)航行器從運動至出筒進(jìn)行建模, 且對后續(xù)計算不會造成影響。采用動網(wǎng)格技術(shù)適應(yīng)航行器運動。計算域如圖3所示。

1.2 動網(wǎng)格技術(shù)

FLUENT求解器中提供的動網(wǎng)格方法包括Layering、Smoothing和Remeshing方法, Layering方法主要用于一維運動, 網(wǎng)格在一側(cè)生長, 在另一側(cè)消亡, 在邊界運動過程中生成的網(wǎng)格質(zhì)量較高。Smoothing和Remeshing方法常用于涉及航行器俯仰等復(fù)雜運動的計算, 可很好地適應(yīng)邊界變化引起的網(wǎng)格變形。

圖2 仿真模型示意圖

圖3 計算域示意圖

文中考慮到航行器為近似一維平動, 采用Layering方法。

1.3 網(wǎng)格劃分

由于研究對象涉及了航行器運動產(chǎn)生的流場邊界運動, 為了滿足計算過程中網(wǎng)格重構(gòu)的需求, 指定了流體運動區(qū)域和靜止區(qū)域, 網(wǎng)格變形和重構(gòu)僅發(fā)生于流體運動區(qū)域, 靜止區(qū)域網(wǎng)格不參與重構(gòu)。

按照層變(Layering)網(wǎng)格變形的需求, 考慮流場邊界, 將運動區(qū)域選為發(fā)射筒軸向上包含航行器的區(qū)域, 貫穿至外場邊界以充分利用網(wǎng)格。

為兼顧仿真有效性和經(jīng)濟(jì)性問題, 采用以下網(wǎng)格劃分原則:

1) 整場網(wǎng)格足夠細(xì)密, 使計算結(jié)果不存在網(wǎng)格依賴性;

2) 筒蓋部分單獨劃分區(qū)域, 使用較密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以適應(yīng)復(fù)雜外形, 流場其他位置均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分;

3) 外場劃分梯度網(wǎng)格, 靠近航行器位置網(wǎng)格細(xì)密, 遠(yuǎn)場較為稀疏;

4) 按層變動網(wǎng)格要求設(shè)置滑移邊界。

完成了仿真模型網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格量為2 355698, 具體如圖4所示。

圖4 計算域網(wǎng)格

1.4 多相流仿真

VOF模型的基本控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及體積分?jǐn)?shù)方程, 分別為

為達(dá)到較好收斂性, 將氣相設(shè)置為主相。

1.5 UDF技術(shù)

文中采用用戶自定義函數(shù)(user defined function, UDF)編程方法, 實現(xiàn)了以下功能:

2) 定義流場邊界上各相的分布規(guī)律, 初始發(fā)射筒外水相, 發(fā)射筒內(nèi)為氣相;

3) 解算移動邊界的運動規(guī)律;

4) 求解航行器運動過程中的受力特性;

5) 自動輸出和存儲航行器的運動參數(shù)和力學(xué)參數(shù);

6) 實現(xiàn)對計算域關(guān)心位置的流動參數(shù)的監(jiān)測。

1.6 計算流程

航行器發(fā)射非定常模型主要分為流場求解、運動求解和邊界運動3個模塊。其中流場求解由FLUENT求解器完成, 提供運動求解的基本素材; 運動求解由UDF完成, 從流場求解結(jié)果中獲取航行器受力和力矩, 根據(jù)運動和動力學(xué)關(guān)系求解運動; 邊界運動由UDF控制, FLUENT求解器完成。

非定常仿真實現(xiàn)的基本流程如圖5所示。

圖5 非定常模型求解流程

2 齊射載荷仿真分析

2.1 鄰?fù)菜茴^罩載荷仿真分析

在水密頭罩上的特征位置處布置監(jiān)測點, 通過UDF記錄其壓力值隨時間變化情況。鄰?fù)菜茴^罩載荷仿真結(jié)果如圖6和圖7所示, 可以看出:

1) 首發(fā)后0.8 s到次發(fā)前, 3號水密頭罩處載荷基本穩(wěn)定為海水靜壓載荷, 即首發(fā)后筒口流場較快地趨于穩(wěn)定, 首發(fā)航行器對次發(fā)航行器影響較小;

2) 次發(fā)航行器發(fā)射時3號位置水密頭罩所受流體載荷稍小于首發(fā)航行器發(fā)射時, 其對鄰?fù)菜茴^罩影響也稍小于首發(fā)航行器發(fā)射時的影響, 即齊射對3號水密頭罩影響較小;

3) 次發(fā)和首發(fā)時3號水密頭罩處載荷均隨著筒口氣泡壓縮和膨脹變化, 周期規(guī)律相似。

航行器離開筒口后, 發(fā)射筒內(nèi)的高壓燃?xì)庖绯? 形成氣泡, 在慣性作用下, 氣泡在水下形態(tài)發(fā)展呈現(xiàn)彈性效應(yīng), 會發(fā)生周期性地膨脹和收縮, 氣泡內(nèi)壓力周期性變化, 從而導(dǎo)致水密頭罩受力的周期性變化:

1) 初期, 高壓燃?xì)庖绯鲂纬傻臍馀? 泡內(nèi)壓力高于外界水壓, 處于膨脹狀態(tài), 使得水密頭罩受到的力增大;

2) 隨著時間的變化, 氣泡逐步處于過膨脹狀態(tài), 泡內(nèi)壓力低于外界水壓, 氣泡受力停止膨脹而轉(zhuǎn)為被壓縮, 水密頭罩上的壓力減小;

圖6 筒口區(qū)域密度及壓力云圖

圖7 鄰?fù)菜茴^罩受力仿真結(jié)果

3) 當(dāng)氣泡內(nèi)外壓差逐漸減小, 達(dá)到內(nèi)外壓差平衡, 而由于慣性氣泡繼續(xù)被壓縮, 繼而氣泡處于過壓縮狀態(tài), 泡內(nèi)壓力大于外界水壓, 而筒內(nèi)繼續(xù)排出的高壓燃?xì)庥謺畛溥M(jìn)去, 使氣泡又開始膨脹, 壓力達(dá)到峰值;

4) 而后這種趨勢繼續(xù), 筒口氣泡多次經(jīng)歷膨脹、壓縮過程, 使得水密頭罩受到的力多次波動, 直至平穩(wěn)。

2.2 水錘效應(yīng)仿真分析

圖8給出了齊射過程中首發(fā)航行器發(fā)射筒內(nèi)的密度及壓力云圖。

圖8 首發(fā)發(fā)射筒密度及壓力云圖

從圖8中可以看出:

1) 發(fā)射筒內(nèi)的壓力變化與筒口燃?xì)馀莸陌l(fā)展相關(guān)。在0.2 s之前, 筒口的燃?xì)馀蓦S著航行器尾部的移動而被拉長, 逐漸膨脹, 造成筒內(nèi)燃?xì)鈮毫Φ慕档? 隨著壓力的降低, 泡內(nèi)壓力低于外界水壓, 筒口的燃?xì)馀菖c航行器尾部拉斷脫離, 開始收縮, 造成筒內(nèi)壓力的回升; 海水開始倒灌, 進(jìn)入發(fā)射筒內(nèi), 燃?xì)庵饾u向外溢出, 筒內(nèi)壓力下降, 首發(fā)航行器發(fā)射后筒口流場較快地趨于穩(wěn)定; 當(dāng)次發(fā)航行器離筒后, 次發(fā)航行器發(fā)射筒內(nèi)高壓燃?xì)庖绯雠蛎?、壓縮產(chǎn)生較大壓力場, 該壓力場對首發(fā)航行器發(fā)射筒造成影響, 使得壓力波動, 而且會使首發(fā)航行器發(fā)射筒內(nèi)滯留氣體溢出, 增加倒灌入其中的海水量。

2) 筒口環(huán)境的不對稱性影響。由于發(fā)射筒筒口的筒蓋、艇體形狀的存在, 造成筒口環(huán)境的不對稱性, 從圖8中0.60 s的仿真結(jié)果可明顯看出, 海水并不是從發(fā)射筒中心倒灌入發(fā)射筒內(nèi), 而是明顯傾斜倒灌入發(fā)射筒內(nèi), 倒灌的海水首先作用于發(fā)射筒內(nèi)壁上, 然后再作用于筒底。

圖9給出了首發(fā)航行器發(fā)射筒筒底的受力情況?？梢园l(fā)現(xiàn), 筒底受到的力具有脈動特性。開始, 發(fā)射筒內(nèi)氣體處于膨脹狀態(tài), 壓力處于衰減階段, 使得筒底受到的力減小; 隨著航行器的運動, 空泡被拉斷, “包裹”在筒口的氣泡開始收縮, 進(jìn)而筒內(nèi)的壓力逐漸上升, 受力增大; 海水倒灌進(jìn)入發(fā)射筒內(nèi), 將剩余氣體擠向筒壁, 最后氣體與筒外相通, 筒底受力開始緩慢下降, 隨后出現(xiàn)復(fù)雜的脈動規(guī)律; 次發(fā)航行器發(fā)射后, 其發(fā)射筒內(nèi)溢出的高壓燃?xì)鈱κ装l(fā)航行器的發(fā)射筒筒口造成影響, 使之出現(xiàn)較大波動。

圖9 首發(fā)發(fā)射筒筒底受力

3 結(jié)論

文中采用三維非定常多相流場方法進(jìn)行了雙發(fā)齊射載荷仿真分析, 獲取了多細(xì)長體航行器密集布置情況下鄰?fù)菜茴^罩及水錘效應(yīng)等載荷特性, 得到如下結(jié)論:

1) 首發(fā)航行器發(fā)射后筒口流場較快地趨于穩(wěn)定, 次發(fā)航行器時鄰?fù)菜茴^罩載荷稍小于首發(fā)航行器、規(guī)律相似, 即單筒多細(xì)長體齊射筒口流場對齊射間隔影響較小;

2) 航行器發(fā)射后發(fā)射筒內(nèi)外較快地趨于穩(wěn)定, 倒灌入發(fā)射筒內(nèi)的海水量相對較少, 可能影響操艇性能;

3) 次發(fā)航行器對首發(fā)航行器的發(fā)射筒內(nèi)水錘載荷特性以及流場特性均有較大影響。

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Simulation on Underwater Salvo Load Characteristics of Multi-Slender Body Vehicles in Single Launching Tube

ZHAO Shi-ping1,2, BI Feng-yang1,2, LU Bing-ju1,2, YUAN Xu-long3, QIN Li-ping1,2

(1.The 713 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China; 2.Henan Key Laboratory of Underwater Intelligence Equipment, Zhengzhou 450015, China; 3.School of Marine Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

In respect of the underwater salvo adjacent tube effect caused by dense arrangement of several slender body vehicles in single launching tube, the volume of fluid(VOF) and multiphase flow methods are used to establish a three-dimensional unsteady multiphase flow simulation model for underwater vertical salvo, in which the dynamic grid technology for user-defined function(UDF) to control the motion of two vehicles is adopted and the influence of suspended flange, tube cover and submarine shape on the flow field characteristics of the tube mouth is considered. Then, the load characteristics of adjacent tube watertight head cover and water back-flow hammer are obtained. The influence of first-launched vehicle on the load characteristics of second-launched vehicle is analyzed, and conclusions are drawn as follows: 1) After launching of the first-launched vehicle, the flow field at the tube mouth tends to stabilize quickly, and the load of watertight head cover of the adjacent tube is slightly smaller than that of the first-launched vehicle but with similar law when the second vehicle is launched. That is, the flow field at the tube mouth of single tube has little effect on the salvo interval; 2) After launching, the flow field of launcher tends to stabilize quickly both inside and outside, and the amount of seawater poured back into the launcher is relatively small, which may affect the steering performance of the submarine; 3) Second-launched vehicle has great influence on the characteristics of water hammer load and flow field of first-launched vehicle in launching tube. This research may provide a reference for dense arrangement scheme demonstration of underwater multi-slender vehicle and safety analysis of salvo.

multi-slender body vehicle; single tube; underwater salvo; load characteristic; multiphase flow

趙世平, 畢鳳陽, 盧丙舉, 等. 單筒多細(xì)長體航行器水下齊射載荷特性仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(1): 31-36.

TJ63; O35

A

2096-3920(2019)01-0031-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.006

2018-08-10;

2018-08-26.

趙世平(1957-), 男, 研究員, 主要研究方向為水下發(fā)射技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)