田兵，吳朝暉，王樹(shù)宗，練永慶

（1．海軍工程大學(xué)兵器新技術(shù)應(yīng)用研究所，湖北武漢430033;2．海軍裝備研究院，北京 100161）

1 發(fā)射裝置組成及發(fā)射原理

外置式液壓蓄能魚(yú)雷發(fā)射裝置（圖1）主要由氣液缸、環(huán)形水缸、氣缸活塞、水缸活塞、發(fā)射管、液壓泵及發(fā)射閥等構(gòu)成。其中氣液缸垂直放置，氣液缸活塞將氣液缸分成2部分，上部為密封氣腔，下部為液腔。

該裝置的發(fā)射原理是:發(fā)射前，在氣液缸的氣腔內(nèi)充入一定壓力的空氣，然后液壓泵工作將液壓油壓入液腔中，在液壓作用下，氣液缸活塞向上運(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，氣液缸液腔中的液體被釋放出來(lái)，氣腔內(nèi)壓縮空氣勢(shì)能也被釋放出來(lái)，推動(dòng)氣液缸活塞，氣液缸活塞推動(dòng)活塞組件從而拉動(dòng)水缸活塞，水缸活塞推動(dòng)發(fā)射流道中的海水，進(jìn)而推動(dòng)魚(yú)雷出管，使魚(yú)雷獲得足夠的出管速度。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)相似準(zhǔn)則

2.1 模型和實(shí)物的相似原理

用δ表示模型和實(shí)物對(duì)應(yīng)參數(shù)的比值，δl，δt，δv，δg，δp，δυ和δρ分別表示實(shí)物與模型之間的特征尺寸、時(shí)間、速度、質(zhì)量力、壓力、運(yùn)動(dòng)粘度和流體密度的比值。由于發(fā)射管內(nèi)的流動(dòng)近似于一維流動(dòng)（沿發(fā)射管所指的x方向）。設(shè)v，ρ，υ和X分別表示速度、密度、運(yùn)動(dòng)粘度和x方向單位質(zhì)量力，則縮比模型滿足流體動(dòng)力學(xué)方程，即N-S方程:

要確保模型和實(shí)物的運(yùn)動(dòng)相似，則要求式（2）中的各系數(shù)具有可約減性，即滿足

從式（3）可以直接獲得許多相似準(zhǔn)則，比如將式（3）各式同時(shí)除以其中的第二式，可以得到

通過(guò)式（3）做不同的變化還可以得到不同的相似準(zhǔn)則。

2.2 發(fā)射系統(tǒng)相似準(zhǔn)則

要使發(fā)射水道的模型和實(shí)物運(yùn)動(dòng)相似及動(dòng)力相似，必須保證其St數(shù)，歐拉數(shù)Eu及雷諾數(shù)Re相等。St數(shù)相等才能保證流體非定常運(yùn)動(dòng)過(guò)程相似;歐拉數(shù)相等能保證壓力作用相似;雷諾數(shù)相等可以保證海水粘性作用相似。

雷諾數(shù)反映了流體粘性的影響，它是慣性力和粘性力之比。在粘性流體中，考慮粘性力雷諾數(shù)準(zhǔn)則是對(duì)流動(dòng)狀態(tài)起決定性作用的因素。因此，模型中的Re值應(yīng)保持和實(shí)物的Re數(shù)值相等。但Re準(zhǔn)則的這種決定性作用也只在一定的條件下才存在，而在別的條件下它的作用將不明顯，甚至消失，當(dāng)Re數(shù)小于某一定值（稱第一臨界值）時(shí)，流動(dòng)呈層流狀態(tài)。在層流情況下的流動(dòng)，流速皆彼此相似，故Re不起作用了，這種現(xiàn)象稱為“自模性”。當(dāng)Re數(shù)的值大于第一臨界值，流動(dòng)呈紊流狀態(tài)，這時(shí)隨著Re數(shù)的增大，粘性影響也增大，但當(dāng)Re數(shù)增大到某一定值（稱第二臨界值）以后，這種影響幾乎不再存在，流動(dòng)狀態(tài)和流速分布也不再變化，且彼此相似，流動(dòng)進(jìn)入了第二自?；瘏^(qū)。通常將Re數(shù)低于第一臨界值稱為“第一自模區(qū)”，大于第二臨界值稱“第二自模區(qū)”。當(dāng)模型和實(shí)物處在同一自模化區(qū)內(nèi)時(shí)，模型和實(shí)物的Re數(shù)就不必褒詞相等。試驗(yàn)表明:通道的形狀越復(fù)雜，通道內(nèi)的物件越多以及流體繞流表面的粗糙度越大，則進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)就越早。當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入自?；瘏^(qū)以后，流體阻力系數(shù)不再變化，是一個(gè)定數(shù)，這可作為流動(dòng)進(jìn)入自?；瘏^(qū)的標(biāo)志。

從發(fā)射過(guò)程來(lái)看，海水的流動(dòng)過(guò)程是高雷諾數(shù)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，且發(fā)射水道的形狀比較復(fù)雜，可以認(rèn)為海水的運(yùn)動(dòng)在第二自模區(qū)，因此，雷諾數(shù)可以不作為主要的相似準(zhǔn)則。

對(duì)于發(fā)射水道來(lái)說(shuō)，St數(shù)及歐拉數(shù)Eu是主要的相似準(zhǔn)則，即:

3 試驗(yàn)系統(tǒng)的組成

一般來(lái)說(shuō)，縮比模型試驗(yàn)的目的是為了依據(jù)相似原理，由模型試驗(yàn)結(jié)果估測(cè)實(shí)物系統(tǒng)能否達(dá)到發(fā)射所要求的性能指標(biāo)。因而，在系統(tǒng)相似的問(wèn)題上，首先應(yīng)考慮魚(yú)雷模型及發(fā)射水道模型內(nèi)流體物理現(xiàn)象與實(shí)物的相似性，在此基礎(chǔ)上，再考慮壓力、速度、時(shí)間相似等問(wèn)題。

實(shí)物與縮比系統(tǒng)之間的相似，首先必須使整個(gè)系統(tǒng)按同一比例縮小，即幾何上的完全相似。從充分利用現(xiàn)有設(shè)備的角度出發(fā)，使用現(xiàn)有的誘餌假海試驗(yàn)裝置。該裝置發(fā)射管內(nèi)徑為180 mm，與實(shí)際魚(yú)雷發(fā)射管相比縮比為3;然后，按照1:3的比例設(shè)計(jì)縮比氣液缸、活塞組件等。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣源、縮比氣液缸、縮比水缸、假雷、假海及測(cè)試系統(tǒng)組成。其中氣源的功能是向氣液缸的氣腔及假海提供符合試驗(yàn)要求的壓縮空氣，測(cè)試系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)和記錄系統(tǒng)工作時(shí)的各種參數(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 縮比模型假海試驗(yàn)示意圖Fig.2Artificial ocean test sketch of reduced-scale model prototype

4 縮比模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及仿真

按照相似原理，可以設(shè)計(jì)不同的縮比模型試驗(yàn)方案。在此按1:3進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案:取δt=1，則根據(jù)式（9）和式（10）可得δv=3，δp=9.27，δt= 1，δv=3。按照該比例，原型機(jī)與縮比模型各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、縮比模型仿真試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果及仿真試驗(yàn)結(jié)果回歸值見(jiàn)表1所示。

文獻(xiàn)［5］中的外置式水下蓄能發(fā)射裝置的內(nèi)彈道模型，根據(jù)設(shè)計(jì)的縮比試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3～圖8。

圖3 膛壓Fig.3Chamber pressure

從仿真結(jié)果可看出:在發(fā)射過(guò)程中，外置式液壓蓄能式魚(yú)雷發(fā)射裝置縮比模型仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［5］中的模型機(jī)仿真結(jié)果變化規(guī)律一致，其內(nèi)彈道各參數(shù)按比例進(jìn)行了縮小，將參數(shù)按縮小的比例進(jìn)行回歸，其數(shù)值見(jiàn)表1，其中發(fā)射管最大膛壓、魚(yú)雷在發(fā)射管內(nèi)的最大加速度以及發(fā)射時(shí)間與原型機(jī)仿真結(jié)果相近，而魚(yú)雷出管速度與原型機(jī)的仿真結(jié)果誤差較大，原型機(jī)仿真結(jié)果為12 m/s，而縮比模型試驗(yàn)結(jié)果回歸后為8.4 m/s，這是由于所采用的相似準(zhǔn)則引起的。

圖8 發(fā)射閥開(kāi)啟面積Fig．8Open area of the launching valve

5 結(jié)語(yǔ)

從設(shè)計(jì)的外置式液壓蓄能魚(yú)雷發(fā)射裝置縮比模型假海試驗(yàn)方案的預(yù)測(cè)值及仿真結(jié)果可以看出，1:3縮比模型的仿真結(jié)果基本滿足縮比模型設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)值，該方案在發(fā)射時(shí)間及膛壓上符合較好，而在魚(yú)雷出管速度上有一定的誤差，能基本反映原型機(jī)的內(nèi)彈道性能。

在確定了相似準(zhǔn)則后，可以根據(jù)具體實(shí)際需要，選擇合適的比例系數(shù)進(jìn)行縮比模型試驗(yàn)，無(wú)論選擇哪組比例參數(shù)，都可以把相關(guān)實(shí)際的測(cè)量參數(shù)值根據(jù)比例參數(shù)回歸為1:1實(shí)物的相關(guān)參數(shù)值，確定原型機(jī)的性能并檢驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的模型。

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