水下航行體垂直出筒時(shí)水錘壓力分析與研究

李智生,劉 可,閻肖鵬

(中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì),遼寧大連116023)

0 引言

水下航行體采用彈射方式垂直出筒后，筒內(nèi)的發(fā)射工質(zhì)氣體同時(shí)溢出發(fā)射筒，推開(kāi)發(fā)射筒口附近的流體(水)向外運(yùn)動(dòng)，由于其慣性作用，致使發(fā)射筒內(nèi)的壓力下降，甚至低于平衡流體靜壓力值。這樣，由于發(fā)射筒內(nèi)、外壓力差的作用，再加上水的重力作用，使涌入發(fā)射筒內(nèi)的海水形似水錘沖向發(fā)射筒底，使筒內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力，我們稱(chēng)它為水錘壓力[1]。水錘壓力對(duì)發(fā)射底部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)及發(fā)射平臺(tái)的升沉均產(chǎn)生一定的影響，直接關(guān)系航行體發(fā)射的成敗與否，所以對(duì)水錘壓力研究具有重要的意義。

文獻(xiàn)[2]采用CFD軟件FLUENT對(duì)導(dǎo)彈離筒過(guò)程筒口氣泡的發(fā)展及其對(duì)發(fā)射平臺(tái)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，并給出了艇體不同位置壓力脈動(dòng)規(guī)律及其受發(fā)射深度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[3]對(duì)不同出口速度條件下的筒口氣泡脈動(dòng)規(guī)律、作用在筒蓋上的壓強(qiáng)變化特性以及筒蓋上的受載力矩時(shí)程進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[4]基于無(wú)相變VOF模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型，對(duì)潛射導(dǎo)彈筒口壓力場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[5]分析了水下點(diǎn)火、發(fā)射方式和空泡過(guò)程三者之間的內(nèi)在聯(lián)系及其對(duì)出水彈道、水下航行體沖擊振動(dòng)的影響。通過(guò)分析，國(guó)內(nèi)大多數(shù)專(zhuān)家研究集中于筒口壓力場(chǎng)特性，對(duì)于水錘效應(yīng)研究較少。本文以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析入手，對(duì)水錘壓力現(xiàn)象、產(chǎn)生的機(jī)理，以及航行體離筒后海水倒灌后形成的水錘效應(yīng)進(jìn)行了研究，得到不同工況條件下水錘效應(yīng)的變化規(guī)律。

1 基于水錘壓力的機(jī)理分析

水錘效應(yīng)的物理過(guò)程可以作如下描述[1]：

1)過(guò)程一。

設(shè)發(fā)射筒口至發(fā)射筒底高度為H，壓縮波的傳播速度為C，壓縮波面由下往上傳播，波面所到之處水流涌入速度降為0，但其壓力卻已升高。當(dāng)時(shí)間t=H/C瞬時(shí)(時(shí)間t從海水到達(dá)筒底時(shí)起算)，波面到達(dá)發(fā)射筒口，這時(shí)發(fā)射筒內(nèi)的水均受到壓縮，水流速度均為0。

2)過(guò)程二。

由于筒口處波面上下兩邊的壓力不等，筒內(nèi)受壓縮的水在壓差的作用下，以一定的速度從發(fā)射筒內(nèi)流出，即在H/C＜t＜2H/C的時(shí)間段內(nèi)發(fā)射筒內(nèi)形成膨脹波，膨脹波從上向下傳播，波面所到之處，水中的壓力就降至當(dāng)?shù)仄胶馑畨翰⒔Y(jié)束壓縮狀態(tài)。當(dāng)t=2H/C瞬時(shí)，膨脹波到達(dá)筒底處，全發(fā)射筒內(nèi)的水均不受壓縮。這時(shí)正如一個(gè)受壓縮的彈簧一樣，當(dāng)筒底處的水結(jié)束受壓狀態(tài)以后，由于慣性而具有一定速度的水繼續(xù)向上流動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生過(guò)度膨脹，筒內(nèi)水中壓力繼續(xù)降低，筒底處的壓力首先降為最低值，而產(chǎn)生一個(gè)新的膨脹波。

3)過(guò)程三。

在2H/C＜t＜3H/C的時(shí)間段內(nèi)，新的膨脹波從下向上傳播至筒口，這時(shí)筒內(nèi)的壓力均低于當(dāng)?shù)仄胶馑畨?。?dāng)t=3H/C瞬時(shí)，新的膨脹波到達(dá)筒口，波面上、下壓力不等，筒內(nèi)的壓力低于筒外的壓力，因而水流又開(kāi)始涌入發(fā)射筒內(nèi)，又產(chǎn)生一個(gè)新的壓縮波。

4)過(guò)程四。

在3H/C＜t＜4H/C時(shí)間段內(nèi)，這個(gè)新的壓縮波又從上向下傳播。當(dāng)t=4H/C瞬時(shí)，新的壓縮波到達(dá)發(fā)射筒底，水流仍以一定的速度沖向發(fā)射筒底，與t=0時(shí)的情況一樣。

于是又重復(fù)上述的4個(gè)過(guò)程，如此循環(huán)下去。由于當(dāng)筒內(nèi)水壓力增大時(shí)，不僅水是可壓縮的，而且發(fā)射筒也是能變形的，這樣必然要消耗一部分能量，而且在水流動(dòng)過(guò)程中也必然要消耗能量。因此，水錘壓力脈動(dòng)是一種衰減振蕩的形式。水錘壓力也常伴隨發(fā)射筒振動(dòng)，這種振動(dòng)雖然很快就衰減，但水錘壓力的大小卻是一個(gè)不容忽視的因素。

2 水錘壓力特性

為了分析海水倒灌涌入并在發(fā)射筒底部產(chǎn)生沖擊的詳細(xì)過(guò)程，采用CFD計(jì)算方法，對(duì)航行體離筒后海水涌入發(fā)射筒后的流場(chǎng)特性和載荷特性進(jìn)行分析。

2.1 流場(chǎng)特性

設(shè)定一定工況條件，圖1給出了不同時(shí)刻發(fā)射筒內(nèi)氣水混合流場(chǎng)的密度云圖、壓力云圖和速度云圖。

圖1 密度云圖Fig.1 Density nephogram

圖2 壓力云圖Fig.2 Pressure nephogram

圖3 速度云圖Fig.3 Speed nephogram

圖1中可以看到，在t=0.66 s時(shí)刻，海水首先從發(fā)射筒軸線附近區(qū)域開(kāi)始涌入，在t=0.88 s時(shí)刻左右，沿中心處的海水，率先抵達(dá)發(fā)射筒底部區(qū)域，其間伴隨著氣泡的運(yùn)動(dòng)。在海水到達(dá)筒底后，由于水流受到發(fā)射筒底板的導(dǎo)流作用，開(kāi)始向筒壁兩側(cè)發(fā)展，在t=1 s時(shí)刻，已經(jīng)到達(dá)發(fā)射筒的側(cè)壁面。由于海水的涌入，發(fā)射筒內(nèi)剩余的氣體“包裹”在水環(huán)境中，不斷地被分割，擠壓，最后排出筒內(nèi)。這一過(guò)程中，受發(fā)射筒底部和筒內(nèi)氣體影響，海水沖擊效應(yīng)并不明顯。

圖2中可以看出，在t=0.88 s時(shí)刻，海水涌入筒底時(shí)，出現(xiàn)高壓區(qū)，這是由于海水對(duì)筒底的沖擊作用。隨著海水向筒壁兩側(cè)發(fā)展，靠近壁面的區(qū)域出現(xiàn)高壓區(qū)，這是因?yàn)楹Ｋ當(dāng)D壓氣體，使相對(duì)應(yīng)區(qū)域的壓力上升。

圖3可以看出，各個(gè)時(shí)刻大量海水抵達(dá)發(fā)射筒底部時(shí)，受到發(fā)射筒底部阻滯，涌入海水的速度迅速降低，相應(yīng)的壓強(qiáng)快速升高，形成顯著的壓強(qiáng)沖擊。

2.2 發(fā)射筒受載特性

1)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。

本文模擬計(jì)算的發(fā)射裝置為單筒，簡(jiǎn)化為一個(gè)沒(méi)有壁厚的圓柱筒[2]。海水倒灌過(guò)程中，筒內(nèi)承受較大的載荷，且在不同截面處的載荷不同，為了研究其規(guī)律性，因此在發(fā)射筒內(nèi)布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)。計(jì)算為軸對(duì)稱(chēng)，此處模型為半模，在筒底中心布置11個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。

2)壓力曲線特性。

圖4和圖5分別給出了發(fā)射過(guò)程中筒壁面、筒中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化規(guī)律基本一致，且具有脈動(dòng)特性。在0.4 s內(nèi)，發(fā)射筒內(nèi)氣體處于膨脹狀態(tài)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化基本一致，且壓力值處于衰減階段，隨著航行體的運(yùn)動(dòng)；在0.4 s左右，空泡被拉斷，“包裹”在筒口的氣泡開(kāi)始收縮，進(jìn)而筒內(nèi)的壓力逐漸上升，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力開(kāi)始升高，上升特性基本一致；在0.88 s時(shí)刻后，海水到達(dá)筒底，將剩余氣體擠向筒壁，最后氣體與筒外相通，壓力開(kāi)始緩慢下降，隨后壓力出現(xiàn)復(fù)雜的脈動(dòng)規(guī)律，而且峰值不固定；在1.6 s以后，壓力趨于當(dāng)?shù)厮顗毫Α?/p>

圖4 壁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.4 Variation of wallmonitoring point pressure With time

圖5 發(fā)射筒中心處監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.5 Variation of pressure antmonitoring point at center of launch tube with time

圖6 發(fā)射筒底監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6 Variation of pressure atmonitoring point of bottom of launching tube With time

圖6中給出了筒底各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化規(guī)律。結(jié)合圖1密度云圖可以看，“水錘”壓力第一個(gè)峰值大約出現(xiàn)在1 s時(shí)刻附近，此時(shí)大量海水涌入筒底，對(duì)筒底產(chǎn)生很大沖擊；隨后筒底壓力變化平緩，逐漸趨于當(dāng)?shù)仂o壓值；隨著遠(yuǎn)離發(fā)射筒底中心位置，測(cè)點(diǎn)壓力值峰值出現(xiàn)滯后，此刻壓力脈動(dòng)是由于海水涌入筒底，從筒中心向兩側(cè)流動(dòng)，擠壓筒內(nèi)氣體所致。

2.3 水錘壓力與筒口壓力場(chǎng)的關(guān)聯(lián)性

為了研究筒口壓力場(chǎng)與筒底“水錘”壓力的關(guān)系，我們提取了筒口中心處壓力和發(fā)射筒底部中心壓力來(lái)分析二者之間的關(guān)聯(lián)性。圖7給出了筒口中心壓力和筒底中心壓力隨時(shí)間變化規(guī)律(圖中坐標(biāo)值進(jìn)行了無(wú)量綱化處理)。

圖7 測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.7 Pressure of measuring point changesWith time

起初，筒口中心和發(fā)射筒底部中心壓力保持相同的變化趨勢(shì)，隨著氣泡形態(tài)變化過(guò)程中的能量損失，壓力急劇下降；氣泡中部開(kāi)始拉斷時(shí)，彈尾氣泡被壓縮，泡內(nèi)壓力開(kāi)始上升，筒口處的壓力率先上升；隨后筒口中心和筒底中心都出現(xiàn)了周期性壓力脈動(dòng)，脈動(dòng)規(guī)律呈步調(diào)相反，即同一時(shí)間段內(nèi)，波峰對(duì)于波谷，這也證明了當(dāng)筒底出現(xiàn)壓縮波(壓力增大)時(shí)，筒口出現(xiàn)的是膨脹波(壓力減小)，最終壓力值回歸到當(dāng)?shù)仂o水壓力。

3 水錘壓力影響因素研究

筒底水錘壓力的第一峰值可以作如下估算[7-8]：設(shè)水流以速度V沖擊到發(fā)射筒底，由于水流波被筒底擋住，緊貼筒底一層薄薄的水體立即停止流動(dòng)，流速即為0；與此同時(shí)，該薄層水體上邊來(lái)的水流，由于慣性仍以速度V繼續(xù)流向發(fā)射筒底，沖擠該薄層并使之被壓縮，該薄層水流的壓力增加，即由原來(lái)的P0增至P0+P；然而該薄層的上側(cè)壓力仍然為P0。根據(jù)在Δt時(shí)間內(nèi)該薄層流體的動(dòng)量變化與其作用于該流層的外力合力的關(guān)系，可以用其流層軸線方向的沖量與動(dòng)量增量的相等關(guān)系表示，即：

從中求出水錘壓力第一峰值的表達(dá)式[1，6]，即：

則水錘壓力第一峰值對(duì)筒底的壓力估算公式為

式中：P0表示發(fā)射筒底部當(dāng)?shù)貕簭?qiáng)；ρ為海水密度；c為海水中壓縮波傳播速度，近似為海水中的聲速；V為海水抵達(dá)發(fā)射筒底部時(shí)的速度；α為修正系數(shù)。

對(duì)于海水抵達(dá)發(fā)射筒底部時(shí)的速度，會(huì)受到航行體離筒后筒內(nèi)外壓差、發(fā)射筒長(zhǎng)度以及兩相之間非定常流動(dòng)等因素的影響，為此，本文通過(guò)計(jì)算航行體離筒速度和離筒時(shí)筒內(nèi)壓力變化而反映發(fā)射筒底部壓力的變化規(guī)律和特點(diǎn)。

3.1 初始?jí)簭?qiáng)影響

分別給定2種不同的初始燃?xì)鈮簭?qiáng)，其余計(jì)算條件保持不變。發(fā)射筒底部壓力變化情況如圖8所示(圖中量值進(jìn)行了無(wú)量綱化處理)。

由此可見(jiàn)：航行體離筒時(shí)刻筒內(nèi)初始?jí)毫υ酱螅八N”壓力第一峰值越大，且隨后的脈動(dòng)峰值較大，達(dá)到壓力峰值時(shí)間滯后。

3.2 航行體出筒速度影響

分別給定2種不同的航行體離筒速度，其余計(jì)算條件保持不變，發(fā)射筒底部壓力變化情況如圖9所示(圖中量值進(jìn)行了無(wú)量綱化處理)。

圖9 發(fā)射筒底部壓力-時(shí)間歷程Fig.9 Pressure-time course at bottom of launch tube

不同出筒速度對(duì)“水錘”壓力第一峰值影響較小，但是速度越大，出現(xiàn)峰值時(shí)間越提前。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了水錘壓力峰值估算模型，采用CFD數(shù)值計(jì)算了海水涌入發(fā)射筒后的流場(chǎng)特性和載荷特性，得到了不同工況條件下航行體離筒后海水倒灌后形成的水錘效應(yīng)變化規(guī)律，為發(fā)射裝置的降噪、減振，以及如何減少航行體發(fā)射時(shí)對(duì)發(fā)射平臺(tái)的安全性影響提供了方法和依據(jù)。