魚雷浮囊充氣過程建模與仿真

程文鑫, 蔡衛軍, 楊春武, 孫 元

(1. 海軍兵器部, 北京, 100073; 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

魚雷浮囊充氣過程建模與仿真

程文鑫1, 蔡衛軍2, 楊春武2, 孫 元2

(1. 海軍兵器部, 北京, 100073; 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

浮囊能否可靠充氣, 直接影響到魚雷的安全回收, 為深入了解浮囊充氣機理, 根據熱力學定理建立了浮囊充氣過程模型, 對氣瓶排氣、浮囊充氣過程進行了仿真計算, 獲得了充氣過程中浮囊體積、充氣流速、氣瓶壓力和浮囊受力等參數的變化規律。通過魚雷帶速停車充氣過程仿真, 獲得了臨界深度下浮囊漲滿、雷速變化等細節過程。仿真結果表明, 浮囊漲滿時間、氣瓶剩余壓力等參數與試驗數據相近, 魚雷帶速停車后雷速、航深等參數規律與試驗結果相符, 該浮囊充氣過程模型可為上浮裝置的工程設計提供參考。

魚雷上浮裝置; 充氣浮囊

1 概述

訓練操雷主要用于模擬戰雷的航行性能, 多為負浮力狀態, 當燃料耗盡或異常停車時, 通常需采用排載裝置或上浮裝置提供正浮力[1-3]。排載裝置工作時會產生較大的沖擊和振動, 可能會影響雷內電子組件及結構件的使用壽命[4-5], 上浮裝置具有可重復使用的特點, 在現代魚雷訓練中廣泛使用。

上浮裝置能否可靠工作主要與氣瓶壓力、浮囊體積、充氣深度與時間、浮囊最大承受載荷等因素相關, 進行上浮裝置工程設計時, 目前多數采用半經驗方法[6], 缺少浮囊充氣過程的細節參數。本文根據熱力學定理建立了浮囊充氣過程模型, 獲得充氣過程中浮囊、氣瓶及雷體狀態參數,并通過典型試驗數據對仿真結果進行了驗證。

2 浮囊工作原理

上浮裝置由高壓氣瓶或藥柱點燃后提供氣源,通過電磁閥管路給浮囊充氣。當浮囊膨脹至所提供的浮力大于魚雷凈浮力后, 魚雷開始上浮。浮囊漲滿后保持外形體積不變。浮囊上裝有安全閥,能保證浮囊壓力不超過限定值。

3 數學模型

以高壓氣瓶提供氣源為例, 假設氣瓶內空氣為可壓縮介質, 浮囊充氣為絕熱過程。

3.1 充氣模型

將氣瓶給浮囊的充氣過程按時間步長進行離散, t時刻將其分為充氣、摻混兩部分, 見圖1中○A、○B過程。其中, P, V, T分別表示壓力、體積及溫度。

圖1 充氣過程示意圖Fig. 1 Schematic of inflation process

1) 充氣過程

充氣過程見圖1中○A部分。假設t時刻, 氣瓶內氣體狀態為(P1-0, V1, T1-0), 浮囊外部環境為(Pw0, Tw0), 浮囊內氣體狀態為(P2-0, V2-0, T2-0)。給浮囊充氣dt時間后, 新充入浮囊內的氣體狀態為(P , V, T), 則根據質量守恒有下列關系式

忽略氣瓶內氣體流速(c1= 0), 調節閥管路內氣體流速為

調節閥管路內的臨界流速為

dt時間內, 充入浮囊的氣體質量為

其中, Ai為調節閥管路有效面積。

2) 摻混過程

浮囊內原氣體(P2-0, V2-0, T2-0)與浮囊新充氣體(P2-i, V2-i, T2-i)摻混后, 浮囊內氣體狀態為(P2-1, V2-1, T2-1), 見圖1中○B部分, 摻混過程關系式為

3) 浮囊漲滿

假設浮囊漲滿時刻, 氣瓶內氣體狀態為(P1-2, V1, T1-2), 浮囊內氣體狀態為(P2-2, V2, T2-2)。浮囊漲滿后, 在壓差作用下氣瓶仍能給浮囊充氣, 浮囊內氣體壓力及溫度改變, 但體積(V2)維持不變。

3.2 上浮過程

浮囊充氣dt時間后, t+dt時刻氣瓶內氣體狀態為(P1-1, V1, T1-1), 浮囊內氣體狀態為(P2-1, V2-1, T2-1)。在阻力、雷體凈浮力、浮囊浮力等作用下,魚雷深度變化為ΔH, 浮囊外部環境為(Pw1, Tw1) (見圖2)。

圖2 充氣dt時間后的氣瓶及浮囊狀態Fig. 2 Status of tank and bladder after inflation in dt time

4 算例

采用上述充氣數學模型對氣瓶陸上排氣、陸上浮囊充氣、水下浮囊充氣等試驗過程進行仿真,并驗證排氣時間、充氣時間和氣瓶壓力等參數。

4.1 氣瓶陸上排氣過程

已知氣瓶壓力22 MPa, 氣瓶體積46 L。氣瓶通過調節閥直接向外排氣, 排氣30 s時測量氣瓶剩余氣體壓力約6 MPa。仿真計算結果顯示, 排氣30 s時的氣瓶剩余壓力為5.4 MPa(見圖3)。

4.2 陸上浮囊充氣過程

已知氣瓶壓力4 MPa, 氣瓶體積4 L。通過高速攝影獲得浮囊漲滿過程, 測得浮囊漲滿時間約4 s。仿真計算結果: 充氣過程中浮囊內溫度升高,浮囊體積快速增大, 約4.1 s后浮囊漲滿。浮囊充氣過程中, 充氣流速可達到臨界速度(見圖4)。

圖3 排氣過程中的氣瓶參數變化曲線Fig. 3 Curves of tank parameters versus time during exhaust process

4.3 水下浮囊靜態充氣過程

在水深65 m下進行浮囊靜態充氣試驗。已知氣瓶壓力22 MPa、氣瓶體積4 L, 試驗測得約9 s后浮囊漲滿。仿真結果: 約8.96 s浮囊漲滿(見圖5)。

4.4 水下浮囊動態充氣過程

魚雷停車上浮過程中, 浮囊外部環境參數(Pw1, Tw1)將受魚雷速度和深度影響。已知魚雷負浮力20 kg, 分別對魚雷32 kn航速、60 m和80 m深度停車后的浮囊充氣過程、雷速變化過程進行仿真, 仿真計算結果: 停車至浮囊漲滿期間, 魚雷將持續下沉, 雷速快速減小。浮囊漲滿后, 魚雷在凈浮力作用下開始向水面移動(見圖6a)。當充氣深度增加至臨界深度時, 浮囊充氣后不能迅速漲滿, 但浮囊提供的凈浮力仍能使魚雷上浮(圖 6b)。魚雷上浮至一定深度后, 浮囊受到的背壓減小, 氣瓶將繼續對浮囊充氣, 直至漲滿狀態。

圖4 陸上浮囊充氣過程中氣瓶及浮囊參數變化曲線Fig. 4 Curves of tank and inflatable collar parameters versus time during inflation process on land

圖5 水下浮囊靜態充氣過程中浮囊體積、充氣流速變化曲線Fig. 5 Curves of inflatable collar volume and inflation velocity versus time during inflation process at static state underwater

魚雷帶速停車過程中, 浮囊在漲滿前會受到快速增大的水流作用力。因此, 確定浮囊工作深度時, 應考慮浮囊受力條件及臨界充氣過程, 并綜合考慮氣瓶壓力、浮囊體積、調節閥管路等參數對充氣深度、充氣時間的影響。

5 結束語

本文根據熱力學定理建立了浮囊充氣過程模型, 在此基礎上進行了氣瓶排氣、浮囊充氣過程仿真計算, 獲得了充氣過程中浮囊體積、充氣流速、氣瓶壓力、浮囊受力等參數變化規律, 浮囊漲滿時間、氣瓶剩余壓力等參數與試驗數據接近,魚雷帶速停車后浮囊充氣過程中的雷速、航深等參數趨勢與試驗結果相符, 該模型可為確定浮囊可靠工作深度提供參考。

圖6 魚雷帶速停車后浮囊及魚雷參數變化曲線Fig. 6 Curves of inflatable collar and torpedo parameters after torpedo stop with speed

[1] 黃震中. 魚雷總體設計[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1987.

[2] 張宇文. 魚雷總體設計原理與方法[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1998.

[3] 尹韶平, 楊蕓. 魚雷總體技術的發展與展望[J]. 魚雷技術, 2005, 13(3): 1-5.

Yin Shao-ping, Yang Yun. A Summary of Development in Torpedo Overall Design Technologies[J]. Torpedo Technology, 2005, 13(3): 1-5.

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[5] 范新中, 肖耘. 飛船整流罩縱向解鎖機構設計與動力學[J]. 宇航學報, 2004, 25(5): 479-483.

Fan Xing-zhong, Xiao-yun. Design and Dynamics of the Mechanical-drived lock Used in the Spaceship Fairing[J]. Journal of Astronautics, 2004, 25(5): 479-483.

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(責任編輯: 陳 曦)

Modeling and Simulation of Inflation Process for Torpedo Inflatable Collar

CHENG Wen-xin1, CAI Wei-jun2, YANG Chun-wu2, SUN Yuan2
(1. Naval Ordnance Department, Beijing, 100073, China; 2. China Shipbuilding Industry Corporation 705 Institute, Xi′an 710075, China)

Reliability of inflation process of a torpedo inflatable collar directly influences the safe recovery of the torpedo. In order to understand the inflation mechanism of a to rpedo inflatable collar, a theoretical model of inflation process of a torpedo inflatable collar is built to simulate the tank exhausting and torpedo inflatable collar inflation processes based on the thermodynamic law. The variation rules of the parameters, such as the volume of inflatable collar, the inflation velocity, the tank pressure and the force on inflatable collar during inflation process, are obtained. The detail processes of torpedo speed changing and inflatable collar filling under critical depth is gotten by simulation of torpedo inflation process in the case of torpedo stop with speed. Simulation results illustrate that the parameters such as inflatable collar inflation and residual gas pressure, as well as the variation rules of torpedo speed and depth, show goo d agreement with the experimental data. The proposed model may provide a theoretical tool for design of torpedo buoyancy equipment.

torpedo buoyancy equipment; pneumatic inflatable collar

TJ630

A

1673-1948(2014)02-0087-04

2014-01-23;

2014-02-14.

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.