外置蓄能式魚雷發(fā)射裝置發(fā)射過(guò)程流場(chǎng)仿真

練永慶，郭 煜，張孝芳

（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，武漢430033；2.海軍潛艇學(xué)院 戰(zhàn)略導(dǎo)彈與水中兵器系，山東 青島，266071）

以壓縮空氣作為發(fā)射工質(zhì)的潛艇魚雷發(fā)射裝置［1］普遍存在的問(wèn)題是發(fā)射時(shí)強(qiáng)烈的排氣噪聲和艙室瞬時(shí)壓力的增高。為了消除和降低艙內(nèi)排氣噪聲，許多國(guó)家都致力于研制新型的低噪聲魚雷發(fā)射裝置［2］，本文研究的外置蓄能式發(fā)射裝置［3－4］為其中之一。外置蓄能式發(fā)射裝置屬于水壓平衡式發(fā)射裝置［5－6］，為了研究該裝置發(fā)射過(guò)程內(nèi)部流場(chǎng)特性，為進(jìn)一步的技術(shù)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，本文對(duì)外置蓄能式發(fā)射裝置的發(fā)射過(guò)程進(jìn)行了流場(chǎng)仿真。

1 外置蓄能式魚雷發(fā)射裝置方案組成及發(fā)射原理

外置蓄能式魚雷發(fā)射裝置的基本組成如圖1所示。該裝置的發(fā)射原理為：發(fā)射前，首先通過(guò)液壓泵將液壓油壓入液腔中，推動(dòng)活塞組件向左運(yùn)動(dòng)壓縮氣腔內(nèi)的氣體，將發(fā)射能量?jī)?chǔ)存在壓縮氣體中。發(fā)射時(shí)，打開(kāi)發(fā)射閥，液腔中液壓油經(jīng)發(fā)射閥流出，氣腔內(nèi)壓縮空氣推動(dòng)活塞組件向右運(yùn)動(dòng)，擠壓水缸中的海水經(jīng)滑套閥進(jìn)水孔進(jìn)入發(fā)射管，從而推動(dòng)魚雷出管。

圖1 外置式水下蓄能發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 發(fā)射裝置內(nèi)部二維軸對(duì)稱瞬態(tài)流場(chǎng)仿真

2.1 基于一維數(shù)值和CFD聯(lián)合仿真的內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬方法

由外置蓄能式發(fā)射裝置方案可知，該裝置可分為兩大部分：①作為蓄能系統(tǒng)的氣液缸，②作為水壓平衡系統(tǒng)的環(huán)形水缸、發(fā)射水艙和發(fā)射管。因此，對(duì)發(fā)射裝置的發(fā)射過(guò)程流場(chǎng)計(jì)算需要采取全系統(tǒng)仿真的方案來(lái)求解，這樣才能夠得到較為合理的系統(tǒng)發(fā)射過(guò)程動(dòng)態(tài)特性。為此，本文提出采用氣液缸一維模型和水壓平衡系統(tǒng)流場(chǎng)計(jì)算模型聯(lián)合仿真的方案進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值模擬。即從Fluent解算器得到水缸活塞和魚雷所受的流體作用力，隨后代入氣液缸、活塞組件和魚雷的一維動(dòng)力學(xué)方程組，再利用數(shù)值積分方法求出活塞和魚雷的運(yùn)動(dòng)速度，并將其作為Fluent解算器中活塞和魚雷動(dòng)邊界的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

2.2 流場(chǎng)仿真相關(guān)的一維數(shù)學(xué)模型

與仿真相關(guān)的一維數(shù)學(xué)模型主要有：氣液缸數(shù)學(xué)模型、活塞組件運(yùn)動(dòng)模型和魚雷運(yùn)動(dòng)模型等，這些模型可參見(jiàn)文獻(xiàn)［3］。

2.3 流場(chǎng)計(jì)算模型與計(jì)算區(qū)域的選擇

選用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，計(jì)算區(qū)域如圖2所示，主要包括以下幾個(gè)部分。

①環(huán)形水缸內(nèi)流體。

環(huán)形水缸的關(guān)鍵部件主要為活塞組件，整個(gè)水缸流體的計(jì)算區(qū)域主要由活塞組件組成的運(yùn)動(dòng)界面以及由環(huán)形水缸壁組成的靜止界面包圍而成。

②發(fā)射水艙流體。

發(fā)射水艙是由相關(guān)的潛艇耐壓殼與非耐壓殼組成的相對(duì)封閉的充滿海水的空間，流體由發(fā)射水缸出口進(jìn)入發(fā)射水艙，由發(fā)射管特形孔為出口，計(jì)算區(qū)域全由靜止界面組成。

③發(fā)射管流體。

由于單側(cè)發(fā)射水缸每次發(fā)射動(dòng)作僅能發(fā)射一個(gè)發(fā)射管中的魚雷，因此計(jì)算模型僅考慮單管發(fā)射的情形，其他2個(gè)發(fā)射管不進(jìn)行建模。發(fā)射管壁上包括導(dǎo)軌、密封環(huán)等結(jié)構(gòu)，相對(duì)于密封環(huán)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)軌對(duì)整個(gè)管內(nèi)流場(chǎng)的影響可以忽略。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，在進(jìn)行發(fā)射管建模時(shí)，僅保留了前后密封環(huán)。這樣，發(fā)射管內(nèi)流體計(jì)算區(qū)域就由魚雷運(yùn)動(dòng)邊界和發(fā)射管壁靜止邊界所包圍的流體組成。在建模時(shí)把魚雷簡(jiǎn)化為不帶鰭、舵、槳的回轉(zhuǎn)體。

④管外海水。

對(duì)于潛艇發(fā)射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，管外海水為無(wú)限大流體域，但必須使用有限的單元來(lái)進(jìn)行模擬，這里使用一個(gè)人工邊界對(duì)無(wú)限域的海水進(jìn)行截?cái)?，在邊界上?yīng)用壓力出口邊界條件，靜壓值設(shè)置為0，即該處的壓力與環(huán)境壓力相同，以此來(lái)模擬管外的無(wú)限流體。

圖2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分示意圖

2.4 包含移動(dòng)邊界瞬態(tài)流場(chǎng)的動(dòng)網(wǎng)格處理

發(fā)射裝置內(nèi)部瞬態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬包含環(huán)形活塞和魚雷2個(gè)運(yùn)動(dòng)物體，環(huán)形活塞和魚雷的運(yùn)動(dòng)造成了流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域邊界的移動(dòng)。在瞬態(tài)流動(dòng)計(jì)算中，本文采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，考慮不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)域和靜止域間的相對(duì)位置以及移動(dòng)邊界對(duì)計(jì)算域網(wǎng)格的影響，準(zhǔn)確模擬流體流動(dòng)與物體運(yùn)動(dòng)相互耦合的瞬態(tài)流動(dòng)。

通過(guò)分析活塞和魚雷的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射活塞的運(yùn)動(dòng)始終保持在發(fā)射水缸的軸線上，魚雷在出管的過(guò)程中其運(yùn)動(dòng)方向也始終保持在發(fā)射管的軸線上；而當(dāng)魚雷出管以后，其運(yùn)動(dòng)對(duì)發(fā)射裝置內(nèi)部的流體流動(dòng)可以認(rèn)為已經(jīng)沒(méi)有影響。為了問(wèn)題的簡(jiǎn)化，這里假設(shè)魚雷出管以后的運(yùn)動(dòng)方向仍然保持在發(fā)射管的中軸線上。根據(jù)魚雷和活塞的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，動(dòng)網(wǎng)格的更新方法采用動(dòng)態(tài)層鋪法［7－8］，該方法用于四邊形網(wǎng)格（二維矩形）和柱形網(wǎng)格（三維六面體或楔形體），通過(guò)對(duì)與動(dòng)邊界相鄰的網(wǎng)格單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)的加層或減層的操作從而實(shí)現(xiàn)邊界的移動(dòng)和網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)更新。在仿真中使用UDF宏函數(shù)DEFINE＿CG＿M(jìn)OTION來(lái)定義網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)。

3 仿真結(jié)果及分析

在完成流場(chǎng)邊界條件、初始條件設(shè)置及求解器設(shè)置等相關(guān)工作后，可對(duì)以上流場(chǎng)模型進(jìn)行仿真。在仿真過(guò)程中對(duì)魚雷表面的受力情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明整個(gè)過(guò)程是收斂的。

3.1 仿真結(jié)果

1）發(fā)射裝置內(nèi)部流場(chǎng)仿真結(jié)果。

發(fā)射裝置內(nèi)部流場(chǎng)的壓力場(chǎng)p和速度場(chǎng)v仿真結(jié)果分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 不同時(shí)刻流場(chǎng)壓力云圖

圖4 不同時(shí)刻速度云圖

2）蓄能系統(tǒng)與水壓系統(tǒng)仿真結(jié)果。

獲得的蓄能系統(tǒng)的氣液缸內(nèi)部壓力變化仿真結(jié)果如圖5所示。圖中，pc為氣液缸中氣腔氣體的壓力，pf為氣液缸液腔壓力。

圖5 氣液缸氣腔壓力、液腔壓力與時(shí)間的變化曲線

水缸與發(fā)射管壓力變化仿真結(jié)果如圖6所示，圖中，pw為水缸壓力，pt為發(fā)射管壓力。

圖6 發(fā)射水缸、發(fā)射管內(nèi)海水壓力－時(shí)間變化曲線

3）活塞組件運(yùn)動(dòng)特性仿真結(jié)果。

活塞組件的位移、速度和加速度仿真結(jié)果如圖7～圖9所示，圖中，xp，vp，ap分別為活塞組件運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度。

圖7 活塞組件位移－時(shí)間變化曲線

圖8 活塞組件速度－時(shí)間變化曲線

圖9 活塞組件加速度－時(shí)間變化曲線

4）魚雷內(nèi)彈道仿真結(jié)果。

通過(guò)聯(lián)合仿真還獲得了發(fā)射過(guò)程魚雷內(nèi)彈道仿真結(jié)果。為了驗(yàn)證流場(chǎng)仿真結(jié)果的合理性，在同樣仿真初始參數(shù)條件下，將流場(chǎng)仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［3］數(shù)學(xué)模型的內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果相比較，如圖10～圖13所示，圖中，xt，vt，at分別為魚雷運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度，pt為發(fā)射管膛壓。

圖10 魚雷位移－時(shí)間曲線

圖11 魚雷速度－時(shí)間曲線

圖12 魚雷加速度－時(shí)間曲線

圖13 發(fā)射管膛壓－時(shí)間曲線

3.2 仿真結(jié)果分析

①由圖5氣液缸氣腔和液腔壓力曲線可知，隨著活塞的移動(dòng)，缸內(nèi)氣體體積增大，氣腔壓力減?。磺鞍攵坞S著發(fā)射閥開(kāi)啟面積的增大，液腔內(nèi)的液壓油壓力得到泄放，壓力是逐漸減小的；而在后期由于發(fā)射閥的逐漸關(guān)閉以及活塞在慣性以及海水的推動(dòng)下會(huì)對(duì)液壓油有一個(gè)擠壓作用，壓力呈現(xiàn)出增大的特性。

②由圖6水缸及發(fā)射管內(nèi)壓力曲線可知，海水壓力在0.1s附近達(dá)到最大值，然后逐漸下降。在末期出現(xiàn)了負(fù)壓現(xiàn)象，這是由于魚雷出管后，管內(nèi)海水在慣性力的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)造成的結(jié)果。

③由圖9活塞組件的加速度曲線可知，活塞組件的加速度曲線與水缸內(nèi)海水壓力曲線（見(jiàn)圖6）的變化規(guī)律基本相似，由此可見(jiàn)，在發(fā)射過(guò)程中水缸內(nèi)海水壓力對(duì)魚雷加速運(yùn)動(dòng)起主要作用。從圖9可見(jiàn)，活塞組件在0.55s時(shí)刻的加速度為負(fù)，該時(shí)刻是仿真中發(fā)射閥關(guān)閉時(shí)刻。發(fā)射閥關(guān)閉后，由于液壓油的壓縮特性，此時(shí)活塞的速度并沒(méi)有迅速降到0，而是有一個(gè)逐步減小的過(guò)程（見(jiàn)圖8），再結(jié)合圖5氣液缸液腔壓力特性曲線以及流場(chǎng)仿真壓力云圖可知，運(yùn)動(dòng)海水以及發(fā)射活塞的巨大慣性力在發(fā)射過(guò)程的后期會(huì)使液缸內(nèi)的油壓迅速升高，因此關(guān)于環(huán)形活塞的緩沖設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步進(jìn)行探討。

④通過(guò)流場(chǎng)仿真結(jié)果可知，魚雷出管時(shí)間為0.67s（見(jiàn)圖10），魚雷出管速度為14.8m／s（見(jiàn)圖11），管內(nèi)運(yùn)動(dòng)最大加速度約為6g（見(jiàn)圖12）。在圖10～圖13中還將流場(chǎng)仿真獲得的魚雷位移、速度、加速度及膛壓結(jié)果與數(shù)學(xué)模型的內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，從結(jié)果曲線來(lái)看，兩者的仿真結(jié)果略有偏差，但所反映的參數(shù)變化規(guī)律基本一致。這說(shuō)明發(fā)射裝置發(fā)射過(guò)程流場(chǎng)計(jì)算模型與內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型能夠在一定程度上較好地模擬發(fā)射過(guò)程，驗(yàn)證了模型的正確性。

4 結(jié)論

在外置蓄能式發(fā)射裝置發(fā)射方案的基礎(chǔ)上，采用一維數(shù)值與流場(chǎng)聯(lián)合仿真的方法對(duì)發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部二維軸對(duì)稱瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究。通過(guò)數(shù)值求解，得到了發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部壓力特性、魚雷與活塞的動(dòng)力學(xué)特性、水缸與發(fā)射管壁面流體壓力特性以及瞬態(tài)流場(chǎng)的特性。從發(fā)射過(guò)程仿真及流場(chǎng)仿真的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，2種方法得到的結(jié)果反映的內(nèi)彈道參數(shù)變化規(guī)律基本一致，在一定程度上檢驗(yàn)了模型的正確性，為下一步的發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及技術(shù)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

［1］練永慶，王樹(shù)宗.魚雷發(fā)射裝置設(shè)計(jì)原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012：65－66.LIAN Yong－qing，WANG Shu－zong.Torpedo launcher design principle［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012：65－66.（in Chinese）

［2］郭關(guān)柱，王云.試論水下魚雷發(fā)射裝置研究方向［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2003，25（3）：21－23.GUO Guan－zhu，WANG Yun.Treatise on research orientation of underwater torpedo launching apparatus［J］.Ship Science and Technology，2003，25（3）：21－23.（in Chinese）

［3］田兵，練永慶，王樹(shù)宗.外置式水下蓄能發(fā)射裝置內(nèi)彈道研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2011，23（1）：18－21.TIAN Bing，LIAN Yong－qing，WANG Shu－zong.Research on interior ballistic characteristic of outer underwater energy accumulated launcher［J］.Journal of Ballistics，2011，23（1）：18－21.（in Chinese）

［4］田兵，王樹(shù)宗，練永慶.水下蓄能式發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.兵工學(xué)報(bào)，2011，32（9）：1 094－1 098.TIAN Bing，WANG Shu－zong，LIAN Yong－qing.Structure optimization of underwater energy－accumulated launcher［J］.Acta Armamentarii，2011，32（9）：1 094－1 098.（in Chinese）

［5］張孝芳，王樹(shù)宗，練永慶.氣動(dòng)水壓式水下武器發(fā)射系統(tǒng)建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（10）：3 092－3 095.ZHANG Xiao－fang，WANG Shu－zong，LIAN Yong－qin.Modeling and simulation of pneumatic and hydraulic underwater weapon launching system［J］.Journal of System Simulation，2009，21（10）：3 092－3 095.（in Chinese）

［6］喬汝椿.蓄能式潛艇電動(dòng)魚雷發(fā)射裝置方案設(shè)想［J］.魚雷技術(shù)，2003，11（2）：43－45.QIAO Ru－chun.Tentative plan of submarine electric torpedo launcher in energy accumulator mode［J］.Torpedo Technology，2003，11（2）：43－45.（in Chinese）

［7］朱紅鈞.Fluent15.0流場(chǎng)分析實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：人民郵電出版社，2015：333－335.ZHU Hong－jun.The practical guide of the Fluent15.0［M］.Beijing：Post and Telecom Press，2015：333－335.（in Chinese）

［8］蔡榮泉.船舶計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.船舶，2002，8（4）：8－13.CAI Rong－quan.Development and application of computational fluid dynamics［J］.Ship and Boat，2002，8（4）：8－13.（in Chinese）