外置式液壓蓄能魚雷發射裝置縮比模型假海試驗方案仿真分析

田兵，吳朝暉，王樹宗，練永慶

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

1 發射裝置組成及發射原理

外置式液壓蓄能魚雷發射裝置（圖1）主要由氣液缸、環形水缸、氣缸活塞、水缸活塞、發射管、液壓泵及發射閥等構成。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。

該裝置的發射原理是:發射前，在氣液缸的氣腔內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，氣液缸活塞向上運動壓縮氣腔內的氣體，將發射能量儲存在壓縮氣體中。發射時，打開發射閥，氣液缸液腔中的液體被釋放出來，氣腔內壓縮空氣勢能也被釋放出來，推動氣液缸活塞，氣液缸活塞推動活塞組件從而拉動水缸活塞，水缸活塞推動發射流道中的海水，進而推動魚雷出管，使魚雷獲得足夠的出管速度。

2 試驗系統相似準則

2.1 模型和實物的相似原理

用δ表示模型和實物對應參數的比值，δl，δt，δv，δg，δp，δυ和δρ分別表示實物與模型之間的特征尺寸、時間、速度、質量力、壓力、運動粘度和流體密度的比值。由于發射管內的流動近似于一維流動（沿發射管所指的x方向）。設v，ρ，υ和X分別表示速度、密度、運動粘度和x方向單位質量力，則縮比模型滿足流體動力學方程，即N-S方程:

要確保模型和實物的運動相似，則要求式（2）中的各系數具有可約減性，即滿足

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

通過式（3）做不同的變化還可以得到不同的相似準則。

2.2 發射系統相似準則

要使發射水道的模型和實物運動相似及動力相似，必須保證其St數，歐拉數Eu及雷諾數Re相等。St數相等才能保證流體非定常運動過程相似;歐拉數相等能保證壓力作用相似;雷諾數相等可以保證海水粘性作用相似。

雷諾數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，考慮粘性力雷諾數準則是對流動狀態起決定性作用的因素。因此，模型中的Re值應保持和實物的Re數值相等。但Re準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Re數小于某一定值（稱第一臨界值）時，流動呈層流狀態。在層流情況下的流動，流速皆彼此相似，故Re不起作用了，這種現象稱為“自模性”。當Re數的值大于第一臨界值，流動呈紊流狀態，這時隨著Re數的增大，粘性影響也增大，但當Re數增大到某一定值（稱第二臨界值）以后，這種影響幾乎不再存在，流動狀態和流速分布也不再變化，且彼此相似，流動進入了第二自模化區。通常將Re數低于第一臨界值稱為“第一自模區”，大于第二臨界值稱“第二自模區”。當模型和實物處在同一自模化區內時，模型和實物的Re數就不必褒詞相等。試驗表明:通道的形狀越復雜，通道內的物件越多以及流體繞流表面的粗糙度越大，則進入第二自模化區就越早。當流動進入自模化區以后，流體阻力系數不再變化，是一個定數，這可作為流動進入自模化區的標志。

從發射過程來看，海水的流動過程是高雷諾數的運動過程，且發射水道的形狀比較復雜，可以認為海水的運動在第二自模區，因此，雷諾數可以不作為主要的相似準則。

對于發射水道來說，St數及歐拉數Eu是主要的相似準則，即:

3 試驗系統的組成

一般來說，縮比模型試驗的目的是為了依據相似原理，由模型試驗結果估測實物系統能否達到發射所要求的性能指標。因而，在系統相似的問題上，首先應考慮魚雷模型及發射水道模型內流體物理現象與實物的相似性，在此基礎上，再考慮壓力、速度、時間相似等問題。

實物與縮比系統之間的相似，首先必須使整個系統按同一比例縮小，即幾何上的完全相似。從充分利用現有設備的角度出發，使用現有的誘餌假海試驗裝置。該裝置發射管內徑為180 mm，與實際魚雷發射管相比縮比為3;然后，按照1:3的比例設計縮比氣液缸、活塞組件等。

試驗系統主要由氣源、縮比氣液缸、縮比水缸、假雷、假海及測試系統組成。其中氣源的功能是向氣液缸的氣腔及假海提供符合試驗要求的壓縮空氣，測試系統負責對檢測和記錄系統工作時的各種參數。試驗系統的組成如圖2所示。

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

4 縮比模型試驗方案設計及仿真

按照相似原理，可以設計不同的縮比模型試驗方案。在此按1:3進行縮比設計試驗方案:取δt=1，則根據式（9）和式（10）可得δv=3，δp=9.27，δt= 1，δv=3。按照該比例，原型機與縮比模型各項結構參數、縮比模型仿真試驗計算結果及仿真試驗結果回歸值見表1所示。

文獻［5］中的外置式水下蓄能發射裝置的內彈道模型，根據設計的縮比試驗方案進行仿真計算，仿真結果見圖3～圖8。

圖3 膛壓Fig.3Chamber pressure

從仿真結果可看出:在發射過程中，外置式液壓蓄能式魚雷發射裝置縮比模型仿真結果與文獻［5］中的模型機仿真結果變化規律一致，其內彈道各參數按比例進行了縮小，將參數按縮小的比例進行回歸，其數值見表1，其中發射管最大膛壓、魚雷在發射管內的最大加速度以及發射時間與原型機仿真結果相近，而魚雷出管速度與原型機的仿真結果誤差較大，原型機仿真結果為12 m/s，而縮比模型試驗結果回歸后為8.4 m/s，這是由于所采用的相似準則引起的。

圖8 發射閥開啟面積Fig．8Open area of the launching valve

5 結語

從設計的外置式液壓蓄能魚雷發射裝置縮比模型假海試驗方案的預測值及仿真結果可以看出，1:3縮比模型的仿真結果基本滿足縮比模型設計的預測值，該方案在發射時間及膛壓上符合較好，而在魚雷出管速度上有一定的誤差，能基本反映原型機的內彈道性能。

在確定了相似準則后，可以根據具體實際需要，選擇合適的比例系數進行縮比模型試驗，無論選擇哪組比例參數，都可以把相關實際的測量參數值根據比例參數回歸為1:1實物的相關參數值，確定原型機的性能并檢驗設計過程中的模型。

［1］劉家銓．某型魚雷發射裝置的相似原理及模型試驗［J］．魚雷與發射技術，1999，69（3）:27－35．

LIU Jia-quan．Similarity principle and model test for a certain torpedolauncher［J］．TorpedoandLaunche Technology，1999，69（3）:27－35．

［2］王云，段浩．渦輪泵發射裝置實驗模型設計優化方案的探討［J］．魚雷與發射技術，1999，69（3）:26－40．

WANG Yun，DUAN Hao．Study on the optimal design scheme of test model for turbine pump［J］．Torpedo and Launche Technology，1999，69（3）:26－40．

［3］段浩，胡宗武，等．某水下發射系統縮比模型模型的仿真設計［J］．系統仿真學報，2002，14（9）:1246－1248．

DUAN Hao，HU Zong-wu，et al．Simulation design on the reduced-scale model prototype of an underwater launch system［J］．Journal of System Simulation，2002，14（9）: 1246－1248．

［4］吳朝暉．旋轉泵液壓平衡式魚雷發射系統研究［D］．武漢:海軍工程大學，2000．

［5］田兵，練永慶，王樹宗．外置式水下蓄能發射裝置內彈道研究［J］．彈道學報，2011，23（1）:18－22．