外置蓄能式魚雷發射裝置發射過程流場仿真

練永慶，郭 煜，張孝芳

（1.海軍工程大學 兵器工程系，武漢430033；2.海軍潛艇學院 戰略導彈與水中兵器系，山東 青島，266071）

以壓縮空氣作為發射工質的潛艇魚雷發射裝置［1］普遍存在的問題是發射時強烈的排氣噪聲和艙室瞬時壓力的增高。為了消除和降低艙內排氣噪聲，許多國家都致力于研制新型的低噪聲魚雷發射裝置［2］，本文研究的外置蓄能式發射裝置［3－4］為其中之一。外置蓄能式發射裝置屬于水壓平衡式發射裝置［5－6］，為了研究該裝置發射過程內部流場特性，為進一步的技術設計做準備，本文對外置蓄能式發射裝置的發射過程進行了流場仿真。

1 外置蓄能式魚雷發射裝置方案組成及發射原理

外置蓄能式魚雷發射裝置的基本組成如圖1所示。該裝置的發射原理為：發射前，首先通過液壓泵將液壓油壓入液腔中，推動活塞組件向左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，液腔中液壓油經發射閥流出，氣腔內壓縮空氣推動活塞組件向右運動，擠壓水缸中的海水經滑套閥進水孔進入發射管，從而推動魚雷出管。

圖1 外置式水下蓄能發射裝置結構簡圖

2 發射裝置內部二維軸對稱瞬態流場仿真

2.1 基于一維數值和CFD聯合仿真的內部流場數值模擬方法

由外置蓄能式發射裝置方案可知，該裝置可分為兩大部分：①作為蓄能系統的氣液缸，②作為水壓平衡系統的環形水缸、發射水艙和發射管。因此，對發射裝置的發射過程流場計算需要采取全系統仿真的方案來求解，這樣才能夠得到較為合理的系統發射過程動態特性。為此，本文提出采用氣液缸一維模型和水壓平衡系統流場計算模型聯合仿真的方案進行系統的數值模擬。即從Fluent解算器得到水缸活塞和魚雷所受的流體作用力，隨后代入氣液缸、活塞組件和魚雷的一維動力學方程組，再利用數值積分方法求出活塞和魚雷的運動速度，并將其作為Fluent解算器中活塞和魚雷動邊界的運動參數。

2.2 流場仿真相關的一維數學模型

與仿真相關的一維數學模型主要有：氣液缸數學模型、活塞組件運動模型和魚雷運動模型等，這些模型可參見文獻［3］。

2.3 流場計算模型與計算區域的選擇

選用二維軸對稱模型進行發射系統內部流場的數值模擬，計算區域如圖2所示，主要包括以下幾個部分。

①環形水缸內流體。

環形水缸的關鍵部件主要為活塞組件，整個水缸流體的計算區域主要由活塞組件組成的運動界面以及由環形水缸壁組成的靜止界面包圍而成。

②發射水艙流體。

發射水艙是由相關的潛艇耐壓殼與非耐壓殼組成的相對封閉的充滿海水的空間，流體由發射水缸出口進入發射水艙，由發射管特形孔為出口，計算區域全由靜止界面組成。

③發射管流體。

由于單側發射水缸每次發射動作僅能發射一個發射管中的魚雷，因此計算模型僅考慮單管發射的情形，其他2個發射管不進行建模。發射管壁上包括導軌、密封環等結構，相對于密封環來說，導軌對整個管內流場的影響可以忽略。為了簡化問題，在進行發射管建模時，僅保留了前后密封環。這樣，發射管內流體計算區域就由魚雷運動邊界和發射管壁靜止邊界所包圍的流體組成。在建模時把魚雷簡化為不帶鰭、舵、槳的回轉體。

④管外海水。

對于潛艇發射系統來說，管外海水為無限大流體域，但必須使用有限的單元來進行模擬，這里使用一個人工邊界對無限域的海水進行截斷，在邊界上應用壓力出口邊界條件，靜壓值設置為0，即該處的壓力與環境壓力相同，以此來模擬管外的無限流體。

圖2 計算區域及網格劃分示意圖

2.4 包含移動邊界瞬態流場的動網格處理

發射裝置內部瞬態流場的數值模擬包含環形活塞和魚雷2個運動物體，環形活塞和魚雷的運動造成了流場計算區域邊界的移動。在瞬態流動計算中，本文采用動網格技術，考慮不同時刻運動域和靜止域間的相對位置以及移動邊界對計算域網格的影響，準確模擬流體流動與物體運動相互耦合的瞬態流動。

通過分析活塞和魚雷的運動規律可以發現，發射活塞的運動始終保持在發射水缸的軸線上，魚雷在出管的過程中其運動方向也始終保持在發射管的軸線上；而當魚雷出管以后，其運動對發射裝置內部的流體流動可以認為已經沒有影響。為了問題的簡化，這里假設魚雷出管以后的運動方向仍然保持在發射管的中軸線上。根據魚雷和活塞的運動特點，動網格的更新方法采用動態層鋪法［7－8］，該方法用于四邊形網格（二維矩形）和柱形網格（三維六面體或楔形體），通過對與動邊界相鄰的網格單元進行動態的加層或減層的操作從而實現邊界的移動和網格的動態更新。在仿真中使用UDF宏函數DEFINE＿CG＿MOTION來定義網格的運動。

3 仿真結果及分析

在完成流場邊界條件、初始條件設置及求解器設置等相關工作后，可對以上流場模型進行仿真。在仿真過程中對魚雷表面的受力情況進行了監測，監測數據表明整個過程是收斂的。

3.1 仿真結果

1）發射裝置內部流場仿真結果。

發射裝置內部流場的壓力場p和速度場v仿真結果分別見圖3和圖4。

圖3 不同時刻流場壓力云圖

圖4 不同時刻速度云圖

2）蓄能系統與水壓系統仿真結果。

獲得的蓄能系統的氣液缸內部壓力變化仿真結果如圖5所示。圖中，pc為氣液缸中氣腔氣體的壓力，pf為氣液缸液腔壓力。

圖5 氣液缸氣腔壓力、液腔壓力與時間的變化曲線

水缸與發射管壓力變化仿真結果如圖6所示，圖中，pw為水缸壓力，pt為發射管壓力。

圖6 發射水缸、發射管內海水壓力－時間變化曲線

3）活塞組件運動特性仿真結果。

活塞組件的位移、速度和加速度仿真結果如圖7～圖9所示，圖中，xp，vp，ap分別為活塞組件運動位移、速度和加速度。

圖7 活塞組件位移－時間變化曲線

圖8 活塞組件速度－時間變化曲線

圖9 活塞組件加速度－時間變化曲線

4）魚雷內彈道仿真結果。

通過聯合仿真還獲得了發射過程魚雷內彈道仿真結果。為了驗證流場仿真結果的合理性，在同樣仿真初始參數條件下，將流場仿真結果與文獻［3］數學模型的內彈道計算結果相比較，如圖10～圖13所示，圖中，xt，vt，at分別為魚雷運動位移、速度和加速度，pt為發射管膛壓。

圖10 魚雷位移－時間曲線

圖11 魚雷速度－時間曲線

圖12 魚雷加速度－時間曲線

圖13 發射管膛壓－時間曲線

3.2 仿真結果分析

①由圖5氣液缸氣腔和液腔壓力曲線可知，隨著活塞的移動，缸內氣體體積增大，氣腔壓力減小；前半段隨著發射閥開啟面積的增大，液腔內的液壓油壓力得到泄放，壓力是逐漸減小的；而在后期由于發射閥的逐漸關閉以及活塞在慣性以及海水的推動下會對液壓油有一個擠壓作用，壓力呈現出增大的特性。

②由圖6水缸及發射管內壓力曲線可知，海水壓力在0.1s附近達到最大值，然后逐漸下降。在末期出現了負壓現象，這是由于魚雷出管后，管內海水在慣性力的作用下繼續運動造成的結果。

③由圖9活塞組件的加速度曲線可知，活塞組件的加速度曲線與水缸內海水壓力曲線（見圖6）的變化規律基本相似，由此可見，在發射過程中水缸內海水壓力對魚雷加速運動起主要作用。從圖9可見，活塞組件在0.55s時刻的加速度為負，該時刻是仿真中發射閥關閉時刻。發射閥關閉后，由于液壓油的壓縮特性，此時活塞的速度并沒有迅速降到0，而是有一個逐步減小的過程（見圖8），再結合圖5氣液缸液腔壓力特性曲線以及流場仿真壓力云圖可知，運動海水以及發射活塞的巨大慣性力在發射過程的后期會使液缸內的油壓迅速升高，因此關于環形活塞的緩沖設計還需要進一步進行探討。

④通過流場仿真結果可知，魚雷出管時間為0.67s（見圖10），魚雷出管速度為14.8m／s（見圖11），管內運動最大加速度約為6g（見圖12）。在圖10～圖13中還將流場仿真獲得的魚雷位移、速度、加速度及膛壓結果與數學模型的內彈道計算結果進行比較，從結果曲線來看，兩者的仿真結果略有偏差，但所反映的參數變化規律基本一致。這說明發射裝置發射過程流場計算模型與內彈道數學模型能夠在一定程度上較好地模擬發射過程，驗證了模型的正確性。

4 結論

在外置蓄能式發射裝置發射方案的基礎上，采用一維數值與流場聯合仿真的方法對發射系統內部二維軸對稱瞬態流場進行了數值研究。通過數值求解，得到了發射系統內部壓力特性、魚雷與活塞的動力學特性、水缸與發射管壁面流體壓力特性以及瞬態流場的特性。從發射過程仿真及流場仿真的結果對比來看，2種方法得到的結果反映的內彈道參數變化規律基本一致，在一定程度上檢驗了模型的正確性，為下一步的發射系統結構參數優化及技術設計提供了理論基礎。

［1］練永慶，王樹宗.魚雷發射裝置設計原理［M］.北京：國防工業出版社，2012：65－66.LIAN Yong－qing，WANG Shu－zong.Torpedo launcher design principle［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012：65－66.（in Chinese）

［2］郭關柱，王云.試論水下魚雷發射裝置研究方向［J］.艦船科學技術，2003，25（3）：21－23.GUO Guan－zhu，WANG Yun.Treatise on research orientation of underwater torpedo launching apparatus［J］.Ship Science and Technology，2003，25（3）：21－23.（in Chinese）

［3］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）：18－21.TIAN Bing，LIAN Yong－qing，WANG Shu－zong.Research on interior ballistic characteristic of outer underwater energy accumulated launcher［J］.Journal of Ballistics，2011，23（1）：18－21.（in Chinese）

［4］田兵，王樹宗，練永慶.水下蓄能式發射裝置結構優化［J］.兵工學報，2011，32（9）：1 094－1 098.TIAN Bing，WANG Shu－zong，LIAN Yong－qing.Structure optimization of underwater energy－accumulated launcher［J］.Acta Armamentarii，2011，32（9）：1 094－1 098.（in Chinese）

［5］張孝芳，王樹宗，練永慶.氣動水壓式水下武器發射系統建模與仿真［J］.系統仿真學報，2009，21（10）：3 092－3 095.ZHANG Xiao－fang，WANG Shu－zong，LIAN Yong－qin.Modeling and simulation of pneumatic and hydraulic underwater weapon launching system［J］.Journal of System Simulation，2009，21（10）：3 092－3 095.（in Chinese）

［6］喬汝椿.蓄能式潛艇電動魚雷發射裝置方案設想［J］.魚雷技術，2003，11（2）：43－45.QIAO Ru－chun.Tentative plan of submarine electric torpedo launcher in energy accumulator mode［J］.Torpedo Technology，2003，11（2）：43－45.（in Chinese）

［7］朱紅鈞.Fluent15.0流場分析實戰指南［M］.北京：人民郵電出版社，2015：333－335.ZHU Hong－jun.The practical guide of the Fluent15.0［M］.Beijing：Post and Telecom Press，2015：333－335.（in Chinese）

［8］蔡榮泉.船舶計算流體力學的發展與應用［J］.船舶，2002，8（4）：8－13.CAI Rong－quan.Development and application of computational fluid dynamics［J］.Ship and Boat，2002，8（4）：8－13.（in Chinese）