漸擴型自航發射魚雷內彈道模型與仿真

劉海明, 張振山, 程廣濤

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漸擴型自航發射魚雷內彈道模型與仿真

劉海明, 張振山, 程廣濤

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢 430033)

為探討采用漸擴型自航發射管是否提高了魚雷出管速度和補水壓差引起的附加阻力對魚雷出管速度的影響程度, 通過對自航管內非常局限性邊界條件下魚雷受力的分析, 建立了漸擴型自航發射管的內彈道模型。結合魚雷在管內各階段的運動狀態, 對漸擴管引起的流體阻力實時計算, 進行了計算機仿真。通過仿真結果的比較, 證明采用漸擴型自航發射管提高了魚雷出管的速度, 為以后自航發射裝置的設計和改進提供了一定的理論基礎, 并通過比較,說明了補水壓差引起的附加阻力也是影響魚雷出管速度的重要因素之一。

魚雷; 自航發射; 漸擴型; 內彈道模型; 補水壓差; 附加阻力

0 引言

自航式魚雷發射裝置依靠魚雷自身能源產生動力航行出管, 可在任意深度發射, 且發射噪音低, 隱蔽性好。但是由于潛艇內空間有限, 管徑和長度的增大勢必會影響潛艇結構尺寸和空間。本文所論述的漸擴型自航發射管由后段管和前段管組成。前段管是慢慢變大的, 成喇叭形狀, 后段管為等截面管。采用漸擴型自航發射管, 增大管徑的同時又兼顧考慮了潛艇內空間的有限性。

以前對自航發射的理論分析多針對等截面自航發射裝置采用的等截面管[1], 魚雷的出管速度偏低。而變截面自航發射裝置建立內彈道模型時未考慮補水壓差引起的附加阻力[2], 其魚雷出管速度影響因素考慮不夠全面。本文將補水壓差引起的附加阻力引入到漸擴型自航發射裝置的內彈道模型中。在計算阻力引起的損失時, 將漸擴型自航發射裝置分為等截面管和漸擴管兩部分來計算, 并對魚雷發射過程中的附加流體阻力進行實時計算, 建立內彈道模型, 并進行編程仿真。對采用本文發射裝置是否提高魚雷的出管速度進行了分析, 通過仿真曲線的比較, 說明了補水壓差引起的附加阻力對魚雷出管速度的影響程度。

1 內彈道數學模型

1.1 條件約束簡化

在大口徑的管狀發射管中, 自航魚雷是在非常局限的邊界條件下運動的, 魚雷的速度及其周圍的補水流速不斷變化, 使魚雷在非定常流場中運動, 所以魚雷內彈道運動情況極為復雜。

為簡化模型計算方便, 研究中假設為定常流場計算魚雷阻力和流體阻力, 魚雷管內的運動處于紊流流場中; 當潛艇航行深度大于3 m時, 興波阻力可為0 N; 忽略魚雷的重心、浮心和流體動力壓力引起的力矩影響; 附加質量取理想流體中運動時相同的值計算。本文所指的內彈道是指魚雷尾端面離開發射管前端面之前的運動軌跡。

螺旋槳提供的總推力分為推力減額(或附加阻力)和雷體-螺旋槳系統中槳提供的凈推力。仿真過程中, 當計算螺旋槳推力時, 考慮到了推力減額值, 推力減額系數由經驗知, 取值范圍在0.15~0.27, 本文取0.16。同時考慮雷體的伴流速度, 雷體伴流系數一般取值為0.18~0.23。螺旋槳的伴流系數等在漸擴流道中是一個變數, 并且這個系數的獲得非常復雜, 為簡化模型假設伴流系數為定值, 本文取0.2。

1.2 模型建立

魚雷在漸擴管型自航管中運動時, 所受動力和各種阻力情況如圖1所示。

圖1 魚雷受力示意圖

根據牛頓第二定律, 內彈道方程

式中:為魚雷質量;λ為魚雷在運動方向上的附加質量;P為魚雷螺旋槳推力瞬時值;R為魚雷運動阻力瞬時值;R為局部損失引起的附加阻力瞬時值;R沿程損失引起的附加阻力瞬時值;R為補水壓差引起的阻力瞬時值;R為魚雷與發射管導軌間的摩擦阻力。

附加質量的計算公式[3]

式中,0是=1所對應的單位速度勢, 僅與物體的形狀和運動的方向有關。本文將魚雷近似看成旋轉橢球, 其附加質量系數取值范圍為0~0.5, 在仿真計算時取0.1倍的魚雷質量。

螺旋槳轉速隨時間的變化規律可以通過電機性能、啟動方式建立的數學模型求得; 也可以通過試驗曲線數據反推出轉速與時間的函數關系。采用由試驗數據回歸的函數關系式表示螺旋槳轉速與時間的關系

式中:為電機啟動系數。

仿真計算中, 取=29.6。圖2為魚雷電機啟動時轉軸轉速隨時間變化曲線。

圖2 電機轉軸轉速與時間的仿真曲線

因為受管內非常局限邊界條件的影響, 使螺旋槳轉速隨時間的變化規律呈現出有別于敞水狀態的非規則運動, 電機低速啟動, 螺旋槳必須經過一定時間才能達到額定轉速, 也就是說螺旋槳轉速開始是隨著時間的變化而不斷增大, 經過一定時間才能達到額定轉速。

1.3 補水壓差引起的阻力瞬時值

魚雷在管內運動時, 在尾端會形成兩個負壓區。一是螺旋槳旋轉的時候會把水吸進來, 隨著螺旋槳轉速的增加, 從而使尾部的水流速度增加導致尾端壓力降低, 而其所增加的阻力計算為推力減額系數。另一個則是魚雷向前運動時, 其尾端后部會留下一定的空間, 海水從前段管管口流進之后填補了這個空間，而這一過程也就是補水過程。

實現充分補水可以減少魚雷局部損失引起的附加阻力和沿程損失引起的附加阻力, 增加魚雷出管速度。實現充分補水的方法就是改善邊界條件比如說增大發射管管徑。但是, 潛艇的結構尺寸決定了改善邊界條件受到限制。采用漸擴型魚雷自航發射管一方面考慮潛艇的結構尺寸，另一方面漸擴管的補水面積變大，有利于減小阻力。補水將在尾端形成負壓區, 產生補水壓差。其負壓區壓力分布極為復雜, 為簡化計算, 作定常假設, 這一過程適用伯努利方程, 取管外無限遠處為流線起點, 魚雷尾端為流線終點, 流線處于等勢面[3]。伯努利方程如下。

式中:z,z分別為相對于基準面的位置高度;P為魚雷尾部壓力;P為管外海水壓力;V為流線起點水流速度;V為流線終點水流速度;h為水頭損失。

由伯努利方程, 補水壓差引起的阻力瞬時值

1.4 局部損失引起的附加阻力瞬時值

本文前段管為漸擴管, 所討論的局部損失引起的附加阻力要比等截面管結構復雜, 在漸擴段, 魚雷與發射管的環形間隙不是固定不變的。介質流通截面發生改變的位置有3處: 發射管入口處、魚雷與發射管環形間隙突縮處和魚雷尾錐段。

局部損失公式

魚雷與發射管環形間隙突縮處局部損失系數

2 仿真計算及結果分析

在前段管(5 000 mm)、后段管(3 000 mm)長度相同和漸擴角(1.5o)相同的條件下，對不同管徑進行仿真計算, 其計算結果如表1。等截面管的仿真數據如表2所示[1]。

表1 不同管徑魚雷自航發射仿真計算結果

表2 等截面管魚雷自航發射裝置仿真計算結果

對應表1的第1組發射管尺寸, 可得仿真曲線如圖3和圖4所示。對應表1的第1組發射管尺寸, 在仿真的時候不考慮補水壓差引起的附加阻力可得仿真曲線, 如圖5所示。

圖3 補水壓差引起的附加阻力與時間的仿真曲線

圖4 考慮補水壓差時魚雷行程與速度的仿真曲線

圖5 不計補水壓差魚雷行程與速度的仿真曲線

如表2所示，用直徑570 mm等截面管自航發射533口徑魚雷, 出管速度為1.608 m/s。而表1中第2組數據把570 mm等截面管前段3 m的管改成漸擴管, 其出管速度為4.89 m/s, 從數據的比較可知，采用漸擴型自航管, 魚雷的出管速度得到明顯提高。

圖3表示的是補水壓差引起的附加阻力與時間的仿真曲線, 由曲線可知, 補水壓差阻力值還是比較大的，對魚雷的出管速度也有較大影響。與此同時, 圖4和圖5分別建立了考慮補水壓差引起的附加阻力和不計補水壓差引起的附加阻力時魚雷行程與速度的仿真曲線。通過仿真計算, 圖4中魚雷出管速度為5.876 m/s, 圖5中魚雷出管速度為6.665 3 m/s, 兩者相差0.789 3 m/s，可見補水壓差阻力確實影響了魚雷的出管速度。綜觀圖3仿真曲線的分析以及圖4圖5的比較, 可見補水壓差引起的附加阻力確是影響魚雷出管速度的重要因素之一, 而在以往學者討論影響魚雷出管速度的因素, 以及建立自航魚雷內彈道模型時, 卻往往忽略補水壓差引起的附加阻力。

3 結束語

本文通過對漸擴型魚雷自航發射管發射過程中受力情況的分析, 綜合考慮了各種阻力因素, 包括補水壓差引起的附加阻力, 建立了漸擴型自航發射魚雷的內彈道模型。并以魚雷參數為例進行了仿真計算, 通過與文獻[1]中的數據比較, 從理論上分析了漸擴型魚雷自航發射裝置提高魚雷出管速度的可行性, 為自航發射管設計和改進提供了一定的理論依據。仿真結果表明, 補水壓差引起的附加阻力也是影響魚雷出管速度的一個重要因素, 在以后建立自航魚雷內彈道模型的時候, 補水壓差引起的附加阻力也必須考慮進去。由于采用簡化模型, 仿真結果數據與實際的情況存在一定的誤差, 后面還需要做大量細致的工作。

[1] 歐陽輝旦, 程廣濤, 張振山等.自航發射魚雷內彈道模型與仿真[J]. 魚雷技術, 2009, 17(1): 48-51. Ouyang Hui-dan, Cheng Guang-tao, Zhang Zhen-shan. Modelling and Simulation of Interior Trajectory for Torpedo Swim-out Launching [J]. Torpedo Technology. 2009, 17(1): 48-51

[2] 王燕飛, 張振山. 自航發射魚雷內彈道模型與仿真研究[J] 系統仿真學報, 2006, 18(2): 316-318 Wang Yan-fei, ZhangZhen-shan, Modelling and Simulation of Interior Trajectory Model for Torpedo Swim-out Laun- ching [J]. Journal of System Simulation 2006, 18(2): 316-318

[3] 張兆順, 崔桂香. 流體力學[M]. 北京: 清華大學出版社, 2006.

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[5] 侯國祥, 孫江龍等. 工程流體力學[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

Modeling and Simulation of Interior Trajectory for Torpedo Expansionary Swim-out Launching

LIU Hai-ming, ZHANG Zhen-shan, CHENG Guang-tao

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To understand whether the expansionary tube increases the outlet speed of torpedo and how the additional resistance due to pressure difference of seawater compensation influences the speed，a interior trajectory model for torpedo expansionary swim-out launching was set up for analyzing the forces on torpedo under abnormal limitation boundary condition in the expansionary swim-out torpedo tube. Based on the torpedo’s movement in the tube in different phases, computer simulation was conducted to calculate expansionary tube induced flow losses. Comparison of the test and simulation data indicates that the outlet speed of torpedo is increased by adopting the expansionary tube, and the additional resistance due to pressure difference of seawater compensation affects the outlet speed of torpedo. This study may provide a theoretical basis for design and improvement of the swim-out launcher.

torpedo; swim-out launching; expansionary tube; interior trajectory model; pressure difference of seawater compensation; additional resistance

TJ635

A

1673-1948(2011)02-0144-04

2010-05-05;

2010-07-14.

劉海明(1986-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為兵器發射理論與技術.

(責任編輯: 許 妍)