應(yīng)急發(fā)射時(shí)不同發(fā)射閥芯結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)對(duì)比分析

陳煒彬，　王賢明，　段　浩，　王 云

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部， 云南 昆明， 650118）

應(yīng)急發(fā)射時(shí)不同發(fā)射閥芯結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)對(duì)比分析

陳煒彬，王賢明，段浩，王 云

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部， 云南 昆明， 650118）

程控閥能否在應(yīng)急條件下完成發(fā)射任務(wù)是保證戰(zhàn)時(shí)魚雷發(fā)射成功與否的關(guān)鍵。為探究閥芯在應(yīng)急條件下能否保證較好的發(fā)射品質(zhì)， 文中運(yùn)用 FLUENT對(duì) 3種閥芯結(jié)構(gòu)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真， 分析得出了雙梯形-雙矩形閥芯結(jié)構(gòu)能夠有效減少能量在通過(guò)閥芯時(shí)的損耗， 從而可以有效提升發(fā)射品質(zhì)， 可為進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射過(guò)程能量的瞬態(tài)注入與控制， 進(jìn)而降低發(fā)射過(guò)程的瞬態(tài)噪聲提供參考。

魚雷； 程控閥； 應(yīng)急發(fā)射； 內(nèi)流場(chǎng)

0　引言

程控閥作為一種與集散控制系統(tǒng)（distributed control system， DCS）或可編程邏輯控制器（programmable logic controller， PLC）相連， 通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)液路或氣路開啟面積的精確控制閥，已被廣泛的運(yùn)用于各行各業(yè)。

在渦輪泵發(fā)射裝置中［1］， 程控閥被用來(lái)控制進(jìn)入渦輪的氣量， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)武器內(nèi)彈道準(zhǔn)確控制， 保證武器正常發(fā)射。在正常作戰(zhàn)條件下， 程控閥能夠在程序的有效控制下工作， 但在戰(zhàn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法供電的情況， 此時(shí)為實(shí)現(xiàn)武器發(fā)射，閥芯只能按固定的速度勻速開啟， 這時(shí)不同的閥芯結(jié)構(gòu)將直接影響到閥芯開啟面積的變化規(guī)律。張孝芳［2-3］運(yùn)用 FLUENT對(duì)一種機(jī)械發(fā)射閥進(jìn)行了內(nèi)流場(chǎng)仿真， 得到了閥內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律， 并通過(guò)對(duì)比解析結(jié)果驗(yàn)證了其仿真的正確性。文中針對(duì)應(yīng)急發(fā)射這一工況， 用FLUENT分別對(duì)3種閥芯結(jié)構(gòu)開啟過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)流場(chǎng)仿真分析， 對(duì)比分析得到了一種較優(yōu)的閥芯結(jié)構(gòu)。

1　模型的建立

1.1發(fā)射閥芯結(jié)構(gòu)

發(fā)射閥芯結(jié)構(gòu)如圖 1所示。發(fā)射閥的一端連接高壓氣瓶， 另一端與空氣渦輪機(jī)相連。發(fā)射開始時(shí)， 閥芯運(yùn)動(dòng)使特形孔打開接通氣路， 高壓空氣從高壓氣瓶中流出， 從左側(cè)口進(jìn)入發(fā)射閥， 從下方口流入空氣渦輪機(jī)進(jìn)氣口推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)魚雷的發(fā)射。文中選用 3種不同閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。不同閥芯結(jié)構(gòu)如圖2所示。3種閥芯結(jié)構(gòu)的發(fā)射閥開啟面積變化規(guī)律如圖3所示。

圖1　發(fā)射閥閥芯結(jié)構(gòu)圖Fig. 1　Structure of launching valve core

圖2　不同閥芯結(jié)構(gòu)Fig. 2　Structures of different valve cores

圖3　不同閥芯開啟面積變化規(guī)律Fig. 3　Curves of open area versus time for different valve cores

1.2網(wǎng)格劃分和動(dòng)網(wǎng)格

數(shù)值仿真過(guò)程中網(wǎng)格劃分是最重要的一步，它是保證仿真能夠精確進(jìn)行并得到準(zhǔn)確結(jié)果的前提。模擬程控閥在工作過(guò)程的各項(xiàng)指標(biāo)和內(nèi)流場(chǎng)分布情況， 必須使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)［4-10］。通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格可以模擬流場(chǎng)形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問(wèn)題。邊界的運(yùn)動(dòng)形式可是預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng)（可在計(jì)算前指定其速度或角速度）， 也可以是預(yù)先未作定義的運(yùn)動(dòng)（邊界的運(yùn)動(dòng)要由前一步的計(jì)算結(jié)果決定）。網(wǎng)格的更新過(guò)程由FLUENT根據(jù)每個(gè)迭代步中邊界的變化情況完成。

鑒于使用自動(dòng)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分將使網(wǎng)格無(wú)法兼顧精度和數(shù)量， 如果按閥芯的尺寸來(lái)劃分將造成網(wǎng)格數(shù)量太多， 按閥體的尺寸來(lái)劃分， 在閥芯這個(gè)重點(diǎn)研究的區(qū)域就無(wú)法得到精細(xì)的網(wǎng)格，同時(shí)網(wǎng)格的質(zhì)量也無(wú)法保證， 最重要的是， 如果采用四面體網(wǎng)格， 計(jì)算過(guò)程中網(wǎng)格的更新方法只能是占用更多計(jì)算資源的彈性光順?lè)ɑ蚓W(wǎng)格重構(gòu)法， 所以為了兼顧網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量， 同時(shí)可以使用占用計(jì)算資源少的鋪層法， 結(jié)合幾何形狀較為規(guī)整的特點(diǎn)， 選用全六面體網(wǎng)格劃分方式對(duì)閥的內(nèi)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在進(jìn)行FLUENT建模時(shí)， 如圖選取足夠長(zhǎng)度的管道和整個(gè)閥體內(nèi)部流道作為數(shù)值仿真的計(jì)算域。并利用ANSYS自帶的ICEM對(duì)模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格的劃分， 劃分好的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4　發(fā)射閥內(nèi)流場(chǎng)模型及網(wǎng)格劃分Fig. 4　Internal flow field model of launching valve and meshing

1.3邊界條件及求解器設(shè)置

在實(shí)際工作過(guò)程中， 氣瓶中的氣體壓力高，但通過(guò)發(fā)射閥時(shí)有一個(gè)較大的壓降， 在這個(gè)過(guò)程中氣體膨脹， 故使用可壓流體進(jìn)行計(jì)算。采用基于密度的求解器， 選用理想氣體模型， 可以較為真實(shí)地模擬閥的開啟過(guò)程中氣體在閥芯內(nèi)的流動(dòng)。發(fā)射閥開啟后， 發(fā)射氣瓶?jī)?nèi)的壓力隨氣體的流失而下降， 故將數(shù)學(xué)模型計(jì)算求得的氣瓶出口壓力作為入口邊界條件， 出口邊界條件設(shè)置為數(shù)學(xué)模型計(jì)算求得的渦輪機(jī)進(jìn)口壓力， 其余的面設(shè)置為壁面邊界條件。

仿真時(shí)間設(shè)置為0.86 s， 時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s，同時(shí)可以設(shè)置相關(guān)的一些動(dòng)畫， 以便在仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)地觀察流場(chǎng)的變化情況。仿真開始時(shí)對(duì)入口進(jìn)行必要的初始化處理。

2　仿真結(jié)果及分析

為了分析不同閥芯的內(nèi)流場(chǎng)在發(fā)射過(guò)程中的特性， 截取幾個(gè)不同時(shí)刻的速度和壓力場(chǎng)分布云圖進(jìn)行對(duì)比分析。在圖 4中， 通過(guò)閥芯中軸線且平行紙面的面為云圖截面。

2.1仿真結(jié)果

1） 圖 5、圖 6分別展示了不同閥芯結(jié)構(gòu)在t=0.225 s時(shí)內(nèi)流場(chǎng)的壓力和速度分布云圖。

圖5　不同閥芯結(jié)構(gòu)壓力場(chǎng)分布（t=0.225 s）Fig. 5　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.225 s）

圖6　不同閥芯結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布（t=0.225 s）Fig. 6　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.225 s）

從圖5可以看出， 截止0.225 s， 3種閥芯的開度由大到小依次為: 矩形、雙梯形-雙矩形、梯形-矩形。由于矩形閥芯結(jié)構(gòu)開度最大， 低壓區(qū)同高壓區(qū)的連通面積大， 單位時(shí)間內(nèi)更多的高壓氣體進(jìn)入閥芯， 造成矩形閥芯內(nèi)部流場(chǎng)壓力大且分布范圍廣， 最高壓力達(dá)到 10 MPa； 雙梯形-雙矩形閥芯結(jié)構(gòu)雖然開始時(shí)閥芯開口與矩形結(jié)構(gòu)一樣，但是隨后由于進(jìn)入第1個(gè)梯形區(qū)開度增長(zhǎng)變緩， 其高壓區(qū)面積與最大壓力都略小于矩形閥芯， 最高壓力僅為8 MPa； 此時(shí)， 梯形-矩形結(jié)構(gòu)閥芯開口面積在3種閥芯中最小， 壓力大小以及高壓區(qū)面積也都是最小。

從圖 6可以看出， 此刻， 閥芯內(nèi)部氣體流速最大的是開度最小的梯形-矩形閥芯， 速度可達(dá)650 m/s， 而開度最大的矩形閥芯的流速相對(duì)要小一些， 大概在600 m/s。從壓力場(chǎng)的分析可以看出，閥芯內(nèi)部壓力最高的是矩形閥芯， 這就造成了較小的壓力差， 氣體從閥芯外流到閥芯內(nèi)所獲得的動(dòng)能相對(duì)較小， 所以流速較低。同時(shí)流速最大處是在 2個(gè)進(jìn)口形成的渦的中心， 這是由于氣體在這里堆積， 由于流體的擠壓效應(yīng)， 在閥芯中部形成高速區(qū)。

2） 圖 7、圖 8分別展示了不同閥芯結(jié)構(gòu)在t=0.4 s時(shí)內(nèi)流場(chǎng)的壓力和速度分布云圖。

圖7　不同閥芯結(jié)構(gòu)壓力場(chǎng)分布（t=0.4 s）Fig. 7　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.4 s）

圖8　不同閥芯結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布（t=0.4 s）Fig. 8　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.4 s）

從圖 7可以看出， 此刻， 閥芯開度由大到小依次為: 矩形、梯形-矩形、雙梯形-雙矩形?？梢钥吹角?種閥芯的進(jìn)氣壓力已出現(xiàn)明顯下降， 同時(shí)這也使閥芯內(nèi)部的壓力梯度變大。而雙梯形-雙矩形閥芯由于開度增長(zhǎng)慢， 氣瓶壓力損耗較小，入口壓力變化不大， 從而使得閥芯內(nèi)部的壓力梯度分布較為均勻。

從圖8可以看出， 在t=0.4 s時(shí)刻， 內(nèi)流場(chǎng)速度保持最好的是雙梯形-雙矩形閥芯， 因?yàn)槠溟_度增長(zhǎng)較慢， 通過(guò)壓力云圖可以看出其壓力保持較好， 使得速度變化較小。而其他 2種閥芯的速度都有明顯的下降。

3） 圖 9、圖 10分別展示了不同閥芯結(jié)構(gòu)在t=0.8 s時(shí)內(nèi)流場(chǎng)的壓力和速度分布云圖。

圖9　不同閥芯結(jié)構(gòu)壓力場(chǎng)分布（t=0.8 s）Fig. 9　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.8 s）

圖10　不同閥芯結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布（t=0.8 s）Fig. 10　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.8 s）

從圖9可以看出， 相較于矩形結(jié)構(gòu)和梯形-矩形結(jié)構(gòu)， 雙梯形-雙矩形閥芯內(nèi)流道壓力分布相對(duì)均勻， 壓力波動(dòng)較小， 同一壓力區(qū)域連成一片，且其閥芯內(nèi)流場(chǎng)的壓力略高。

從圖 10可以看出， 矩形結(jié)構(gòu)發(fā)射閥閥芯內(nèi)流速最大， 且局部高流速分布區(qū)域較大。相較于矩形結(jié)構(gòu)和梯形-矩形結(jié)構(gòu)， 雙梯形-雙矩形閥芯內(nèi)最高流速有了明顯下降， 局部最高流速下降了50 m/s， 并且局部高流速區(qū)域明顯減小。

2.2結(jié)果分析

通過(guò)上述對(duì)不同時(shí)刻閥芯內(nèi)部流場(chǎng)壓力和速度的分析， 發(fā)現(xiàn)整個(gè)發(fā)射過(guò)程中閥芯開度的大小對(duì)于閥芯內(nèi)壓力和速度場(chǎng)分布影響較大。

對(duì)比3種閥芯的內(nèi)流場(chǎng)變化， 可以看到雙梯形-雙矩形閥芯在開始階段具有與矩形閥芯相同的開度， 保證閥芯內(nèi)部壓力和進(jìn)氣量的迅速增大，同時(shí)在 0.2 s左右進(jìn)入梯形區(qū)域， 開度增長(zhǎng)變緩，減緩氣流流量的增長(zhǎng)， 使得氣瓶?jī)?nèi)的氣壓相對(duì)平穩(wěn)下降， 同時(shí)在閥芯內(nèi)形成一個(gè)較為穩(wěn)定的壓力和速度場(chǎng)。這個(gè)過(guò)程保證了進(jìn)入渦輪氣量的穩(wěn)定，同時(shí)減少了氣體在大壓力梯度流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生一些不必要的渦， 減少了能量的損耗， 保證了和矩形閥芯具有相當(dāng)能量的輸出。

經(jīng)過(guò)以上對(duì)比分析可知， 雙梯形-雙矩形閥芯結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)減小了閥體內(nèi)的流速， 使閥芯內(nèi)壓力分布均勻， 減小了高湍流動(dòng)能區(qū)域， 降低了系統(tǒng)能量損耗。這個(gè)特性對(duì)降低發(fā)射噪聲的意義是重大的， 由于能量利用率較高， 相同的能量輸出量下需要的氣體較少； 同時(shí)較為平穩(wěn)的氣體進(jìn)入渦輪機(jī)就意味著較為平穩(wěn)的排氣， 這樣有利于降低渦輪的排氣噪聲， 提高魚雷發(fā)射時(shí)潛艇的隱蔽性。

用新型的雙梯形-雙矩形閥芯， 在原有發(fā)射閥上進(jìn)行集成替換。采用假海試驗(yàn)站的試驗(yàn)設(shè)施，進(jìn)行了實(shí)發(fā)試驗(yàn)。圖11與圖12是對(duì)2種發(fā)射閥芯武器速度與不同氣瓶初始?jí)毫ξ淦魉俣冗M(jìn)行無(wú)量綱化處理后的趨勢(shì)變化示意圖。如圖 11所示，在相同的初始?xì)馄繅毫ο拢?原閥芯和雙梯形-雙矩形閥芯最后的出管速度都是相近的（為控制射流輻射噪聲［11］， 通常出管速度略大于最低出管速度）， 同時(shí)可以看到新型閥芯的速度略大于原閥芯， 從閥芯開口面積可得， 新型閥芯的用氣量低于原閥芯。綜上所述， 雙梯形-雙矩形閥芯能有效降低流道損失， 在減少用氣量的同時(shí)保證正常發(fā)射。而通過(guò)圖12可知， 在不同的初始?xì)馄繅毫ο?，發(fā)射速度曲線在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)， 能保證武器的安全出管， 證明了雙梯形-雙矩形閥芯在應(yīng)急發(fā)射條件下具有較好的魯棒性， 能夠適應(yīng)發(fā)射氣瓶壓力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的應(yīng)急發(fā)射條件。

圖11　2種發(fā)射閥芯武器速度變化趨勢(shì)Fig. 11　Speed changing trend of two kinds of valve cores

圖12　不同氣瓶初始?jí)毫ξ淦魉俣茸兓厔?shì)Fig. 12　Speed changing trend at different initial pressure in gas cylinder

3　結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)FLUENT對(duì)應(yīng)急發(fā)射狀態(tài)下， 3種發(fā)射閥閥芯的內(nèi)流場(chǎng)分別進(jìn)行了數(shù)值仿真。通過(guò)對(duì)不同閥芯的流場(chǎng)特性的分析， 得出了一個(gè)具有較優(yōu)流道特性的發(fā)射閥芯， 并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了新型閥芯可以有效地減少能量在注入和轉(zhuǎn)化過(guò)程的損耗， 進(jìn)而有效降低發(fā)射過(guò)程的瞬態(tài)噪聲。文中研究成果對(duì)于進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化發(fā)射過(guò)程能量的瞬態(tài)注入與控制， 進(jìn)而降低發(fā)射過(guò)程的瞬態(tài)噪聲具有重要意義。

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（責(zé)任編輯: 許妍）

Analysis on Internal Flow Fields in Different Launch Valve Core Structures in Emergent Launching Condition

CHEN Wei-bin，WANG Xian-ming，DUAN Hao，WANG Yun
（Kunming Branch of the 705 Research Institute， China Shipbuilding Corporation， Kunming 650118， China）

A program-controlled valve， which can complete launch mission in emergent condition， is vital to ensure successful launching of a torpedo in war. To explore whether the valve core can keep good launching quality in emergent conditions， the finite element simulation software FLUENT is employed to simulate the internal flow fields in three kinds of valve core structures. Contrast analysis show that the double trapezoidal-double rectangular valve core structure can effectively reduce the loss during energy going through the valve core， hence enhance launching quality. This research may provide a reference for further optimization of transient energy injection and control as well as reduction of transient noise during launching process.

torpedo； program-control valve； emergency launching； internal flow field

TJ635； TH134

A

1673-1948（2016）05-0390-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.014

2016-06-07；

2016-07-07.

陳煒彬（1991-）， 男， 在讀碩士， 主要從事魚雷發(fā)射技術(shù)研究.