肖前進,夏興隆,錢家昌,劉華坪,周 奇

航行器水下分離特性研究

肖前進1,夏興隆1,錢家昌1,劉華坪2,周 奇2

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所,湖北 武漢,430064; 2.華中科技大學(xué) 航空航天學(xué)院,湖北 武漢,430074)

航行器水下分離特性是航行器水下發(fā)射成功與否的關(guān)鍵。文中針對懸浮狀態(tài)下浮筒平臺與航行器的水下發(fā)射分離問題,基于流體體積函數(shù)(VOF)多相流模型和動網(wǎng)格技術(shù),仿真研究了彈射氣體壓力和溫度對發(fā)射過程航行器及浮筒平臺水動力特性和運動特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明: 彈射氣體壓力對尾出筒時航行器和浮筒平臺的相對位移量影響較小,位移比例基本與其質(zhì)量反比例相同; 尾出筒后水動力波動與沖擊峰值隨著彈射氣體壓力增加而增大; 彈射氣體溫度對出筒過程運動特性影響較小,而出筒后水動力波動隨氣體溫度的升高而增大。

航行器; 分離特性; 浮筒平臺; 壓力; 溫度

0 引言

水下發(fā)射過程是水下航行器研究和設(shè)計的重點和難點之一[1]。航行器水下發(fā)射分離通常是將高壓高溫燃?xì)馔ㄈ牒叫衅鞯撞?并將航行器彈射分離[2-4]。在分離過程中,航行器尾部噴射氣流與周圍流體的相互作用,可能對航行器尾部載荷及出筒姿態(tài)產(chǎn)生影響,嚴(yán)重時將會導(dǎo)致航行器失穩(wěn),從而喪失任務(wù)執(zhí)行能力。因此,研究航行器的水下分離特性具有重要的工程意義及實用價值。

針對水下發(fā)射分離過程,國內(nèi)學(xué)者從不同角度進行了研究。高娜[5]運用動網(wǎng)格技術(shù),對發(fā)射過程進行了非定常數(shù)值仿真計算,給出了筒內(nèi)壓力、溫度和馬赫數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。馬輝[6]通過Fluent軟件的二次開發(fā),研究了水下發(fā)射裝置筒壁開孔形狀及面積對航行器出筒過程的影響。李強[7]針對水下航行器連續(xù)垂直發(fā)射過程,詳細(xì)分析了航行器出筒過程的空泡形態(tài)及運動軌跡的變化規(guī)律,探討了出筒速度、發(fā)射時序及潛艇運動速度對發(fā)射過程的影響。顧媛媛[8]建立了水下筒式發(fā)射分離過程的動力學(xué)模型,分析了分離時浮筒和航行器的受力變化特性。陳瑋琪[9]基于勢流理論和細(xì)長體理論,針對水下發(fā)射過程中航行器空泡、自由面與筒口氣團的相互作用,建立了相互耦合的動力學(xué)模型,并展開相關(guān)理論研究。程棟等[10]針對筒口射流問題建立了非定常多相流場模型,對筒口燃?xì)馍淞鞣植家?guī)律進行了研究。劉富強等[11]采用流體體積函數(shù)(volume of fl- uid,VOF)多相流模型、動網(wǎng)格及移動計算域技術(shù),對并列超空泡彈射彈道特性進行了研究。劉華坪等[12]采用VOF多相流模型和動網(wǎng)格技術(shù),分析了頭型對魚雷入水最大沖擊載荷特性的影響。

但以上研究大都沒有考慮航行器在分離過程中的動態(tài)響應(yīng)問題,這主要是因為搭載平臺的體量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于航行器。文中針對懸浮狀態(tài)下浮筒平臺與航行器的水下發(fā)射分離問題,基于VOF多相流模型和動網(wǎng)格技術(shù),構(gòu)建了航行器水下分離二維軸對稱簡化模型,通過數(shù)值仿真方法,詳細(xì)研究彈射氣體壓力和氣體溫度對發(fā)射過程航行器及浮筒水動力特性和運動特性的影響規(guī)律,為航行器水下分離動力參數(shù)設(shè)置提供參考。

1 研究對象及計算方法

1.1 研究對象

浮筒位置和浮筒結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1和圖2所示。通過底部彈射氣體實現(xiàn)發(fā)射,而后浮筒平臺在重力、浮力、水動力和彈射反沖力作用下向下運動,而內(nèi)部航行器則在底部氣體彈射力和水動力及重力的共同作用下向上運動,從而實現(xiàn)二者分離。浮筒平臺與航行器的質(zhì)量比為4.21∶1,初始時刻整個系統(tǒng)的質(zhì)量與其浮力相同,即處于懸浮狀態(tài)。

1.2 計算方法

為簡化計算量,構(gòu)建了航行器水下分離二維軸對稱簡化模型。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對浮筒平臺及航行器壁面附近網(wǎng)格進行了局部加密,總網(wǎng)格數(shù)約為2×105個,模型計算網(wǎng)格示意圖如圖3所示。動態(tài)分離過程中采用動網(wǎng)格技術(shù),通過重構(gòu)和層變進行各子體運動后網(wǎng)格的更新。

圖1 浮筒位置示意圖

圖2 浮筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 模型計算網(wǎng)格

圖4 彈射氣體壓力曲線

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 發(fā)射過程流場演化

圖5 流場演化

圖6 尾出筒初期筒口壓力波動云圖

2.2 彈射氣體壓力對分離特性的影響

在航行器尾出筒后,由于筒口瞬間泄壓,航行器尾部壓力減小,其“推力”減小,但仍大于重力和沾濕表面的流體阻力,故航行器速度繼續(xù)增加,但加速度減小,體現(xiàn)為速度曲線上斜率減小。彈射氣體壓力越小,出筒速度越小,筒內(nèi)段時間越長。

從圖8航行器受力特性來看,航行器合力與前文筒底彈射氣體壓力曲線變化趨勢基本相同,且尾出筒后合力急劇下降,尤其是筒內(nèi)壓力越大,筒口氣體膨脹越劇烈,合力下降越明顯。由于航行器出筒過程的運動特性主要取決于其沖量的變化,進一步對尾出筒前壓力隨時間進行了積分,對比了不同彈射氣體壓力曲線下的航行器和浮筒平臺無量綱總沖量變化,如圖9所示。

圖8 航行器受力曲線

圖9 不同彈射氣體壓力下尾出筒時刻總沖量曲線

由圖9可知,隨著彈射氣體壓力的增加,航行器和浮筒平臺的總沖量變化相反: 航行器所受的總沖量基本線性增加,而浮筒平臺則顯著減小。結(jié)合前文中模型說明及不同壓力條件下的出筒時間變化可知,由于浮筒平臺的內(nèi)筒尺寸遠(yuǎn)小于外筒尺寸,因此其受彈射氣體反沖力后向下運動時必然受到較大的水的阻力,相當(dāng)于減小浮筒平臺向下的合力; 此外,隨著其壓力增加,航行器筒內(nèi)運動時間減小?；谝陨?種因素的影響,浮筒平臺所受的總沖量也必然減小。

圖10 浮筒平臺運動特性隨時間變化曲線

圖11給出了浮筒平臺壁面受力分量隨時間的變化曲線,其中“bot”包含浮筒底部和外側(cè)壁面,“top”包含頂部上表面和內(nèi)筒側(cè)壁面,在尾出筒之前,筒外面底部+側(cè)壁的水動力與浮筒頂部上表面的水動力之差基本不變,即浮筒所受的水動力基本不變。因此,合力的變化主要是筒底噴流反沖力的變化所致。尾出筒后,筒口瞬間泄壓后氣體膨脹/收縮導(dǎo)致流場波動,不僅影響筒口附近位置,且由于水的不可壓縮性,該擾動將被傳播至浮筒平臺底部,影響該區(qū)域的水動力。此外也表明了彈射氣體壓力越大,尾出筒后筒口水動力波動越大。

圖11 浮筒平臺壁面受力特性曲線

圖12給出了3種彈射氣體壓力下航行器和浮筒平臺無量綱位移特性對比,其中,時間以尾出筒時刻作為無量綱參數(shù),運動特性以尾出筒時刻航行器和浮筒相對位移作為無量綱參考量。

圖12 無量綱位移隨時間變化曲線

由圖12可以看出,3種彈射氣體壓力下無量綱運動曲線重合,而由于總沖成比例增加,因此各運動子體的相對位移特性主要取決于其質(zhì)量特性。由圖12還可知,浮筒平臺運動位移之比1/2=4.185,而兩子體的質(zhì)量比則為2/1=4.21,因此,出筒過程浮筒與航行器位移與質(zhì)量基本上成反比。

2.3 彈射氣體溫度的影響

進一步研究2種彈射氣體溫度的影響,其溫度分別為=500,300 K。從圖13運動特性對比曲線可以看出,筒內(nèi)階段彈射氣體溫度對航行器及浮筒平臺的運動特性的影響較小,這是由于筒內(nèi)速度較低,在尾出筒前其航行器筒內(nèi)壓力基本與彈射氣體總壓相同,因此溫度的影響必然較小。而在尾出筒后,當(dāng)彈射氣體溫度較高時,由于氣體的內(nèi)能大,氣流在筒口外膨脹而后沖擊航行器底部時,更多內(nèi)能轉(zhuǎn)化為壓力能,從而增加了航行器指向水面的合力(見圖14),因此其速度也略大。浮筒平臺由于質(zhì)量較大,燃?xì)庑箟弘m然對筒口水動力具有影響,但對其運動特性的影響相對較小,其變化明顯小于航行器速度變化。

圖13 運動特性對比曲線

3 結(jié)論

航行器水下分離特性是航行器水下發(fā)射成功與否的關(guān)鍵。文中圍繞懸浮狀態(tài)下浮筒平臺與航行器的水下分離問題,采用VOF多相流模型及動網(wǎng)格技術(shù),對航行器的水下分離過程進行了動態(tài)數(shù)值仿真,得出以下結(jié)論。

1) 出筒時航行器和浮筒平臺的相對位移量均不隨彈射氣體的壓力而變化,尾出筒時刻航行器和浮筒位移比例與其質(zhì)量反比例基本相同,這也是動量守恒原理的體現(xiàn),二者不完全符合是因為分離過程中水、氣的擾動。

圖14 合力特性對比曲線

2) 尾出筒后筒口泄壓,產(chǎn)生局部壓力波動與沖擊,航行器及浮筒平臺的受力波動均隨著彈射氣體壓力的增加而增大。

3) 彈射氣體溫度對出筒前航行器及浮筒平臺的運動與受力特性的影響均較小; 溫度越高,尾出筒后初期沖擊力波動越大。

由于對物理建模進行了二維簡化,文中的研究與實際三維流場和多自由度運動還存在一些差別,后續(xù)將通過分離試驗驗證數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Undersea Vehicle Separation Characteristics

1,1,1,2,2

(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China; 2.School of Aerospace Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

The characteristics of underwater separation are crucial to the success of the launch of an undersea vehicle. In this study,the underwater separation of the vehicle and barrel platform in suspend-state is investigated. The influence of ejection gas pressure and temperature on the hydrodynamic and motion characteristics of the vehicle and barrel platform during the launch is numerically simulated using a fluid volume function(VOF) multiphase flow model and dynamic mesh. The results show that the ejection gas pressure has little effect on the relative displacement between the vehicle and the barrel platform when the tail exits the barrel. Furthermore,the displacement ratio is the same as the inverse ratio of its mass. The hydrodynamic fluctuation and impact peak increase with the ejection gas pressure after the tail exits the barrel. Moreover,the temperature of ejection gas has no significant influence on the motion characteristics during the ejection. The hydrodynamic fluctuation increases with gas temperature after ejection.

undersea vehicle; separation characteristics; barrel platform; pressure; temperature

TJ630; U661.1

A

2096-3920(2021)04-0477-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.016

肖前進,夏興隆,錢家昌,等. 航行器水下分離特性研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報,2021,29(4): 477-482.

2020-10-30;

2020-11-19.

肖前進(1986-),男,博士,高級工程師,主要研究方向為水下無人系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)