航行體不同速度出筒尾部流場及受載特性分析

李智生趙欣

（1.91550部隊大連116023）（2.大連大學信息工程學院大連116622）

航行體不同速度出筒尾部流場及受載特性分析

李智生1趙欣2

（1.91550部隊大連116023）（2.大連大學信息工程學院大連116622）

以典型的大長細比軸對稱航行體垂直出筒過程為對象，采用fluent方法求解三維軸對稱非定常雷諾平均N-S方程，對不同出筒速度條件下的航行體尾部流場及受載特性進行研究，給出了水下航行體尾部流場及受載的變化規律。結果表明：數值模擬計算結果與試驗測量結果吻合較好。不同的出筒速度條件下，航行體尾部流場及載荷壓力均呈現明顯的振蕩現象。出筒速度越大，燃氣泡發展越充分，斷裂時間越早，筒口氣泡和尾泡越大，對航行體的沖擊越小；出筒速度越大，航行體加速度越小，所受流體載荷作用的時間越晚，振蕩峰值越大。

水下航行體；出筒速度；流場；載荷

Class NumberV525

1 引言

水下航行體進行垂直發射時，需要依靠燃氣發生器的燃氣壓力將航行體彈射出筒。出筒速度增加，航行體尾部受載增大，暴露在燃氣中的航行體結構受到的溫度和壓力加大，相應阻力和速度損失變大，也就加大了空泡的產生和潰滅程度，加劇了出水橫向載荷。因此，分析出筒速度對航行體尾部流場及載荷特性的影響，總結出筒速度影響下的燃氣泡變化規律和壓力場分布，為進一步研究出筒速度對航行體出水姿態的影響提供重要基礎。

對于航行體垂直發射過程流場與載荷問題已有許多專家學者進行了研究。文獻［1］等采用實驗手段研究了航行體冷彈射出筒過程，并利用VOF模型對航行體尾部氣團及空泡的形成與發展進行了數值模擬。在流場研究方面，文獻［2］等基于二維不可壓N-S方程，運用有限體積法建立了導彈水下發射內流場的數值模擬方法，獲得了出管過程中不同時刻的壓力載荷分布情況；文獻［3～4］等通過數值模擬研究了潛射航行體水下高速運動過程中的空化流動的流場結構，分析了空化數及非凝結性氣體含量對空化流動的影響。文獻［5］等采用數值模擬方法分析了航行體垂直發射出水過程空泡潰滅及表面壓力演化機理，提出了出水潰滅壓力的物理模型，探索了空泡厚度、水層厚度、聲速等重要參數的影響；文獻［6～7］重點研究分析了潛射航行體尾部形狀和尾部氣團初始壓力對航行體尾部流場以及軸向運動特性的影響。在載荷響應研究方面，文獻［8］分析了軸向載荷對導彈梁模型橫向振動頻率的影響，給出了一種分析軸向載荷對潛射導彈橫向振動頻率影響的方法；文獻［9～10］等對潛射火箭出水過程的橫向響應載荷進行了研究，為類似問題提供了一種載荷計算的工程方法；文獻［11～12］等對出筒過程中彈體的法向載荷振蕩響應特性進行了動力學仿真，并對波形特征進行了對比分析，提出以載荷主體波系預報彈體表面法向載荷分布危險截面域的方法。

上述工作在航行體尾部流場和載荷的典型特征方面形成了一定的研究成果。目前來看，數值模擬方法是主要的解決手段，研究工作多是基于航行體筒中運動的內彈道部分，并且多數基于二維軸對稱模型的一自由度數值模擬計算，且一自由度假設也使這種計算處理方法在研究中有著一定的局限性，例如無法研究非對稱因素的影響，所以要模擬航行體尾部流場以及后效作用等復雜流場環境的發射過程，應該采用全尺寸的三維六自由度仿真計算。

本文采用fluent方法求解三維軸對稱非定常雷諾平均N-S方程，對不同出筒速度條件下的航行體尾部流場及受載特性進行研究，給出了流場及載荷變化規律，并與實測結果進行對比，為實際工程應用提供依據和參考。

2 計算模型

2.1 計算條件

本文以典型細長體垂直出筒的水下航行體模型作為研究對象，為了簡化仿真計算并不失真實性，對模型做以下近似假設：

1）計算流場采用三維模型進行仿真，為了降低網格量，提高計算效率，取半模進行仿真，即面對稱。

2）計算起點取在離筒時刻，假定此刻筒內混合燃氣壓力、溫度分布均勻且為靜止狀態；并對混合燃氣作理想氣體處理，氣體參數按照實際混合燃氣參數折算。

3）航行體的起始速度為出筒速度，作一維軸向運動。

4）暫未考慮水的汽化影響和發射筒體的傳熱損失。

2.2 計算域及網格劃分

暫不考慮燃氣后效對筒蓋影響，建模時只保留發射筒和航行體的主體結構，由于航行體尺寸比較大，燃氣泡斷裂需要一定的位移，需要將計算域延伸指定為空氣域；外圍邊界僅考慮艇體表面約束，其余邊界均取為自由流邊界，按照工況要求指定壓力等條件，計算域如圖1所示。

考慮到計算模型和流場的對稱性，計算區域選半模計算，剖面處取為symmetry邊界條件；發射筒壁面、彈體以及潛艇壁面邊界均指定為wall；頂部指定為壓力出口，其壓力數值按照實際所處水深指定；整個流場處于垂直方向，故其壓力全部按照重力梯度來給出；外場區域尺寸為r15000mm× 40000mm。

按照以上要求劃分網格，得到航行體尾部網格分別如圖2所示。

2.2 模型設置

采用如下參數設置仿真模型，如圖3。

按如上設置進行非定常計算，仿真航行體彈射出筒的全過程。在仿真過程中，監視并記錄航行體尾部中心點的壓力值隨時間變化關系，與此同時記錄筒口氣團形狀隨時間的變化規律。

2.3 模型校驗

以實際試驗發射工況為例，采用數值仿真方法對計算模型進行校驗。仿真計算工況與實際發射工況相一致。從圖4中可以看出，數值仿真和試驗實測值的變化趨勢是基本一致的。航行體尾部的壓力脈動是由尾部燃氣泡拉斷過程中產生的脈動載荷所致，在一定程度上反映了流場計算的準確度，仿真和試驗數據的一致性表明了所用數值算法和模型的可信性。（圖中壓力數據進行了無量綱化處理，其中ps為壓力最大值）

3 出筒速度影響研究

研究中對模型進行簡化，將航行體尾部離筒時刻，筒內燃氣的溫度和壓力設定為恒定值，選取出筒速度分別為36/33/30m/s、發射水深為20m，艇速為0的條件作為航行體出筒過程影響進行研究。

3.1 航行體尾部流場分析

圖4～8給出了不同出筒速度下燃氣泡的密度云圖，可以看出在不同出筒速度時，航行體尾部燃氣泡的發展形態各有不同。出筒速度較低時，筒口燃氣泡在徑向的擴張更充分，這是由于燃氣泡軸向運動受到彈尾的限制，當出筒速度越慢時，這種限制越明顯，當泡內壓力一定時，燃氣泡的體積不斷增加，因此燃氣泡必然在徑向上發展；出筒速度較小時，燃氣泡越早出現收縮現象，可能由于筒內燃氣壓力相同時，氣泡徑向發展越快，則在氣液交界面處的氣水交互作用越大，能量損失越大；從斷裂后尾泡體積來看，出筒速度越大，尾泡體積越大。

為了直觀地看出出筒速度與燃氣泡發展的關系，提取了筒口燃氣泡的最大半徑，圖5所示為燃氣泡最大尺寸隨彈動位移的變化規律。初始速度越大，筒口氣泡最大尺寸越小，且達到最大尺寸所需的航行體位移越??；隨著氣泡收縮，在航行體達到相同的位移時，初始速度越大，筒口氣泡最大尺寸越大；出筒速度越大，斷裂后的尾泡體積越大，與圖5中的燃氣泡密度云圖相吻合。

圖6 中的彈尾流場的壓力云圖可以看出，不同的出筒速度，航行體發射流場壓力變化差異性較小，在壓力云圖中壓力梯度變化最劇烈發生在彈尾和筒口。在0.5s時刻，彈尾燃氣泡發生斷裂，出筒速度越大，尾部壓力梯度變化區域越大，這樣會對航行體造成很大的沖擊；出筒速度越大，發射筒口附近的壓力梯度變化越大，因為航行體運動越快，燃氣泡軸向發展越快，泡內壓力下降越快，海水以及燃氣泡斷裂產生的沖擊力對筒口的沖擊。

圖8 為不同出筒速度下彈尾中心處壓力點隨彈動位移的變化曲線。結合上面的密度云圖和壓力云圖可以看出：發射后段（s＜14m之前）出筒速度越大，尾泡內壓力越大；當尾泡斷裂后，大致斷裂的位置處于離筒口14m處，對應時間t=0.45s，尾泡收縮，速度越小，尾部壓力峰值越大。

3.2 航行體受載特性

圖9和圖10為發射過程中航行體運動參數和受到橫向流體載荷特性。結合兩圖可以看出：

1）出筒初期，出筒速度越大，其加速度越小，不過在量值上較小，對速度的影響較小；

2）發射初期，所受流體橫向力和力矩振蕩明顯，速度越大，其幅值越大；速度越小，出現振蕩時間越早。

4 結語

本文研究了不同出筒速度影響下，水下航行體尾部流場及受載的變化規律，結果表明：出筒速度越大，燃氣泡發展越充分，斷裂時間越早，筒口氣泡和尾泡越大，對航行體的沖擊越小；出筒速度越大，航行體加速度越小，所受流體載荷作用的時間越晚，振蕩峰值越大。

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Characteristic Analysis about Trailing Flow and Load of
Underwater Vehicle for Variable Launching Velocity

LI Zhisheng1ZHAO Xin2
（1.No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）（2.Information Engineering College，Dalian University，Dalian116622）

A typical large slenderness ratio and axis-symmetry vehicle in a vertical launching process is studied，using fluent simulation method for solving three-dimensional axisymmetric unsteady RANS equations，the railing flow and load characteristics of the vehicle are analyzed for variable launching velocity，The change regularity of flow and load is studied by conducted simulation on a typical underwater projectile shape model.The result shows that the simulation result agree with experimental results well.Un?der the condition of variable launching velocity，the railing flow and load present oscillation，the larger launching velocity，the greater the bubble develops，also the greater the bubble volume，the more early the bubble breaking，and shows that the larger launching velocity，the smaller acceleration，also the later the fluid loading action time，the bigger oscillation peak.

underwater vehicle，launching velocity，railing flow，loading

V525

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.016

2017年2月9日，

2017年3月17日

李智生，男，博士，高級工程師，研究方向：水下測量及水動力研究。