魚雷小角度入水過程仿真

程文鑫, 蔡衛軍, 楊春武

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魚雷小角度入水過程仿真

程文鑫1, 蔡衛軍2, 楊春武2

(1 海軍裝備部, 北京, 100073; 2 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對魚雷小角度入水問題, 采用多相流混合模型及動網格方法, 分析了魚雷在小入水角條件下的入水空泡形成過程, 以及雷體外形與入水空泡壁的相互作用特點, 獲得了不同入水角、入水攻角條件下俯仰力矩及力矩作用點位置在入水過程中的變化規律。仿真結果表明, 減小入水攻角、延遲動力點火將有助于避免發動機失速、魚雷跳水等異?，F象, 采用泵噴射推進器有利于魚雷入水過程的穩定。

魚雷; 空泡; 動網格; 多相流混合模型; 泵噴射推進器

1 概述

實際海況條件下, 發射平臺的大幅度搖擺可能會導致魚雷發射出管后以小角度入水, 出現魚雷跳水、發電機失速、魚雷下潛緩慢等異常情況。與垂直入水過程不同[1], 魚雷小角度入水空泡有明顯的非對稱特征, 雷體受力及姿態變化更易受到入水空泡形態的影響。

由于入水過程的瞬變性, 采用試驗手段僅能獲得典型狀態下的入水空泡形態, 難以得到較全面的雷體受力變化規律。針對魚雷入水問題的分析手段目前主要有以下幾種[1-3]。

1) 引入奇異邊界條件后, 可獲得軸對稱頭型垂直入水過程的工程解析解。

2) 采用Mackey方法可獲得雷體與空泡壁相互作用形成的魚雷流體動力, 對魚雷帶空泡航行時的入水彈道進行仿真。該方法需預先將空泡外形擬合為空泡橢球模型, 適用于軸對稱入水空泡問題分析[4-5]。

3) 采用Logvinovich空泡截面獨立擴張原理[6-8], 可獲得細長體超空泡外形以及帶空泡航行時的航行體滑行力特性。該方法考慮了重力對空泡形態的影響, 多用于分析小空泡數下超空泡航行體的穩定控制。

4) 采用基于流體體積函數(volume of fluid, VOF)的多相流混合模型和動網格方法[9], 可對魚雷入水過程進行動態數值仿真, 從而獲得入水空泡與雷體相互干涉過程、雷體流體動力參數的變化規律。

上述方法多用于研究魚雷垂直入水問題, 重點關注入水空泡的早期階段, 通常僅需考慮兩相介質(水與空泡、水與空氣)。為了合理研究魚雷小角度入水空泡對雷體姿態及受力特性影響, 更應考慮雷體與水、空氣及空泡三相介質的相互作用。

本文借鑒通氣超空泡流場求解思路[10], 采用均質多相流模型及動網格方法, 通過求解3D RANS方程及zward空化模型, 研究小入水角條件下的入水空泡形成過程, 分析雷體外形與入水空泡壁的相互作用特點。并根據入水過程中雷體受力變化規律, 提出魚雷小角度入水條件下改善下潛速度、避免跳水及發電機失速的可能措施。

2 數學模型

2.1 多相流模型

魚雷入水過程涉及空氣、水、水蒸汽三相介質, 多相流相間質量傳輸方程

2.2 動網格方法

魚雷出管至入水迭代求解過程中, 雷體姿態、位置實時變化, 采用局部彈簧網格重構方法, 根據網格單元壓力梯度進行局部網格的加密或聚合。通過調整拉伸及扭轉彈簧的倔強系數實現計算域網格單元光順處理, 避免雷頭觸水及入水空泡附著時出現網格畸變。

3 算例

假設魚雷入水速度為50 m/s, 質量為290 kg, 轉動慣量為210 kg×m2, 質心距雷頭1.3 m, 入水攻角分別為19°, 21°, 24°, 入水俯仰角分別為3°, 0°, –5°, –20°, 雷體坐標系原點在魚雷質心[11]。

3.1 入水空泡形成過程

魚雷入水過程包括雷頭撞水、雷體侵水、雷尾觸水等階段。入水初期, 雷頭下側局部壓力降低, 形成開式空泡。有入水攻角時, 入水空泡呈現縱向非軸對稱形態(見圖1)。隨著雷體、雷尾鰭舵相繼觸水, 空泡壁附著在雷體表面, 雷體受到的阻尼力矩增大, 魚雷姿態變化趨于平緩(見圖2)。

圖1 魚雷入水空泡形成過程

圖2 雷頭及雷尾觸水過程

入水角為正時, 雷尾鰭舵、推進器先觸水, 雷體受到有利于魚雷下潛的俯仰力矩(見圖3), 但魚雷下潛過程中推進器距離水面更近, 推進器槳葉空化后易造成發電機失速。采用延遲動力點火或啟控措施, 引入魚雷深度判斷條件后可避免發電機失速。

圖3 入水角對空泡形態的影響

3.2 雷尾構型與入水空泡

雷尾鰭舵刺穿空泡壁面后, 將形成有利于魚雷下潛的俯仰力矩(見圖4)。小入水角時, 由于入水空泡的縱向非軸對稱性, 被空泡包裹的尾舵舵效近似為0, 進行操舵動作時, 應避免計入該舵舵效。入水角增大后, 刺穿空泡壁的尾舵有一側表面仍可能處于空泡中, 此時操舵后的實際舵效遠低于魚雷穩定直航狀態。增大俯仰通道功能舵角限幅, 能夠加速入水空泡潰沒, 從而提高俯仰功能舵效, 加快魚雷下潛。

雷尾采用泵噴射推進器時, 導管觸水后將產生有利于魚雷下潛的俯仰力矩, 但泵噴射推進器進流易受入水空泡影響。采取延遲動力點火或啟控措施, 推進器可避開入水空泡段后再工作, 從而避免發電機失速。

圖4 雷尾構型與入水空泡的相互作用

3.3 入水角、入水攻角影響

入水攻角增大后, 雷體受到的俯仰力矩增加較快。減小入水攻角, 雷體俯仰力矩在入水過程中變化幅度小, 且雷體受力作用點向雷頭方向移動(見圖5)。因此減小入水攻角、調整魚雷重心向雷頭方向移動, 均有利于減小入水俯仰力矩。

魚雷小角度入水過程中, 雷體軸向阻力在雷體侵水階段變化較小, 因此適當延遲動力點火時間對俯仰功能舵效影響小, 不會減緩魚雷下潛速度(見圖6)。

圖5 入水攻角對俯仰力矩及力矩作用點位置的影響

圖6 入水角、入水攻角對俯仰力矩及雷體軸向阻力的影響

4 結論

本文采用多相流混合模型及動網格方法,獲得小入水角條件下入水空泡壁與雷體的相互作用過程、入水過程中的雷體受力特性, 提出小角度條件下避免魚雷入水異常的可能措施。

1) 魚雷小角度入水時, 至少有1個舵被入水空泡包裹, 設計操舵規律時應避免計入該舵舵效。

2) 減小魚雷入水攻角、延遲動力點火, 有利于避免魚雷發電機失速或魚雷跳水。

3) 雷尾采用泵噴射推進器有利于魚雷入水過程穩定。

[1] 王永虎, 石秀華. 入水沖擊問題研究的現狀與進展[J]. 爆炸與沖擊, 2008, 28(3): 276-282. Wang Yong-hu, Shi Xiu-hua. Review on Research and Development of Water-entry Impact Problem[J]. Explo- sion and Shock Waves, 2008, 28(3): 276-282.

[2] Putilin S I. Some Features of Dynamics of Super- cavitating Models[J]. Applied Hydromechanics, 2000, 2 (74): 65-74.

[3] 李體方, 張志峰. 海浪作用下的水下彈道數學模型[J]. 彈道學報, 1999, 11(3): 47-51. Li Ti-fang, Zhang Zhi-feng. The Emulation Development for the Motion of Submerging Missile under Wave Force [J]. Journal of Ballistics, 1999, 11(3): 47-51.

[4] 顏開, 史淦君, 薛曉中, 等.用Mackey方法計算魚雷帶空泡航行時的入水彈道[J].彈道學報,1998,10(2): 93- 96. Yan Kai, Shi Gan-jun, Xue Xiao-zhong, et al. The Water Entry Trajectory Calculation of a Torpedo with Cavity by Use of Machey Method[J]. Journal of Ballistics, 1998, 10(2): 93-96.

[5] 顧建農, 張志宏, 范武杰, 等. 旋轉彈體入水彈道計算方法[J]. 海軍工程大學學報, 2001, 13(4): 1-7, 13.

Gu Jian-nong, Zhang Zhi-hong, Fan Wu-jie, et al. The Hydroballistic Calculation Method for the Water Entry of a Rotary Projectile[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2001, 13(4): 1-7, 13.

[6] 安偉光, 蔣運華, 安海. 運動體高速入水非定常過程研究[J]. 工程力學, 2011, 28(3): 251-256. An Wei-guang, Jiang Yun-hua, An Hai. The Unsteady Water Entry Process Study of High-speed Vehicle[J]. En- gineering Mechanics, 2011, 28(3): 251-256.

[7] 王京華, 魏英杰, 黃文虎, 等. 水下超空泡航行體非線性動力學建模與仿真[J]. 工程力學, 2011, 28(12): 183- 189. Wang Jing-hua, Wei Ying-jie, Huang Wen-hu, et al. Nonlinear Dynamic Modeling and Simulation of an Underwater Supercavitating Vehicle[J]. Engineering Me- chanics, 2011, 28(12): 183-189.

[8] 馮光, 顏開. 超空泡航行體水下彈道的數值計算[J]. 船舶力學, 2005, 9(2): 1-8. Feng Guang, Yan Kai. Numerical Calculation of Under- water Trajectory of Supercavitating Bodies [J]. Journal of Ship Mechanics, 2005, 9(2): 1-8.

[9] 何春濤, 王聰, 閔景新, 等. 回轉體均勻垂直入水早期空泡數值模擬研究[J]. 工程力學, 2012, 29(4): 237-243. He Chun-tao, Wang Cong, Min Jing-xin, et al. Numeri- cal Simulation of Early Air-cavity of Cylinder Cone with Vertical Water-entry[J]. Engineering Mechanics, 2012, 29 (4): 237-243.

[10] Zhou J J, Dong C P, Qian J P. Evaluation on the Application of Two-fluid Multiphase Model to Super- cavity[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 275 (227): 417-428.

[11] 嚴衛生. 魚雷航行力學[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2005.

(責任編輯: 陳 曦)

Simulation on Small-Angle Water Entry Process of Torpedo

CHENG Wen-xin, CAI Wei-jun, YANG Chun-wu

(1. Naval Armament Department, Beijing 100073, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

The multiphase mixture model and the dynamic mesh method are used to analyze the forming process of cavity in torpedo water entry with small angle, and the characteristics of interaction between torpedo shape and water entry cavity wall to achieve the change rules of pitch torque and torque action point for different water entry angle and water entry angle of attack. Simulations show that reducing angle of attack or delaying ignition can avoid such abnormal phenomena as engine′s stalling and torpedo′s broaching, and pump jet configuration facilitates stable water entry process of a torpedo.

torpedo; cavity; dynamic mesh; multiphase mixture model; pump jet propellant

TJ630

A

1673-1948(2014)03-0161-04

2014-01-23;

2014-02-26.

程文鑫(1977-), 男, 工程師, 博士, 研究方向為裝備系統綜合保障設計、分析與評價.