潛射航行體齊射非定常流場特性研究

高 山，潘 光

（1. 西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072；2. 無人水下運載技術工信部重點實驗室，陜西 西安 710072）

0 引言

水下齊射指多發航行體在較短的時間間隔內連續出水過程，此方式極大地提高了潛射航行體的突防能力，成為未來潛射武器發展的重要趨勢。然而，潛射航行體出水過程中，由于流體介質的突變，導致航行體表面的流體動力特性發生巨大變化，加之齊射過程中，航行體之間的流場相互干擾，嚴重影響航行體的受力特性和彈道穩定性。

關于潛射航行體水下發射非定常流動特性問題，魏英杰等[1]采用軟件FLUENT對航行體垂直出水全過程進行了模擬，分析了航行體非定常肩空泡與出水速度之間的關系。劉海軍等[2]采用動網格技術對航行體出水過程進行了研究，獲得了肩空泡形態與其周圍壓力分布。別慶等[3]采用多相流模型結合動網格技術獲得了航行體肩部空泡形態演變過程。權曉波等[4]采用Mixture多相流模型和動網格方法來求解RANS方程，建立了三維三自由度計算模型，對航行體垂直發射過程進行了模擬，獲得了尾空泡生成演化的周期性特征。楊曉光等[5]采用計算流體動力學理論和動網格技術，研究了航行體出水過程運動學及動力學時域特性，給出了航行體空間流場結構以及水動力特性。此外，航行體齊射出水過程涉及多體間流動干擾問題，宋武超等[6]基于勢流理論和非線性假設，引入二維軸對稱入水空泡計算模型和影響函數，給出了雙體并聯入水過程空泡的三維演化特性。Xu等[7]研究了雙發航行體以不同時序出水過程，發現當反向旋轉渦對出現時，對次發航行體的運動姿態產生較大的影響。盧佳興等[8]開展了回轉體齊射出水過程空泡演化規律與彈道特性研究，并分析了艇速對其影響。

綜上可知，目前大多數研究成果都集中在單發航行體，而在多發航行體齊射出水過程非定常流體動力特性研究方面很少涉及。因此，本文基于動網格技術、多相流模型以及UDF二次開發等技術，對雙發航行體齊射出水過程非定常流動干擾特性展開深入研究，為水下多筒多彈武器研制提供相關技術支撐。

1 模型設計與仿真計算

1.1 仿真模型參數

首先建立三維潛射航行體模型，其中模型直徑D1=15 mm，長徑比為10，半球頭型；發射筒直徑D2=21 mm，高度為 200 mm；空氣域高度為250 mm，水域高度為450 mm。此外，為了系統分析航行體整個發射過程，對發射區域進行劃分，如圖1所示。分為3個階段：出筒階段、水中航行階段以及出水階段。定義航行體沿著豎直運動方向為Z軸正方向，水平向右為X軸正方向，垂直航行體向內為Y軸正方向。

1.2 VOF多相流模型

描述航行體水下發射氣液多相流動的基本控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程及體積分數方程，其基本形式如下。

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

體積分數方程：

1.3 動網格技術

動網格技術包含3種計算模型，即彈簧光順模型（Spring-based smoothing），動態鋪層模型（Dynamic layering）以及局部重構模型（Local remeshing），其中動態鋪層模型因其網格質量較高的優勢而被廣泛使用。本文將采用動態鋪層模型進行仿真計算，其中心思想是運動邊界發生變化過程中，當緊鄰邊界的網格層高度達到一定程度時，將分裂成兩層網格；當其網格層高度下降到一定高度時，則附近的兩層網格將合并成一層。

1.4 網格劃分及邊界條件設置

采用ICEM進行結構化網格劃分，對發射筒周圍以及整個水域進行網格加密，其中航行體周圍第一層網格高度為0.001 5 mm，網格總數約為730萬，最小質量為0.681，如圖2所示，滿足動網格計算要求。

圖2 計算域網格Fig. 2 Grid of computational domain

計算域的上端和四周都為壓力出口；考慮到航行體重力的影響，航行體的速度、質量、慣性矩、水壓等物理參數通過UDF輸入到Fluent中，其中選用隱式VOF多相流模型來捕捉航行體出水過程變化情況，湍流模型選用RNGk-ε模型，并采取有限體積法對方程數值離散，數值求解方法使用SIMPLEC算法的一階迎風格式。

1.5 數值算法驗證

如圖3和圖4所示，仿真結果和試驗結果吻合度較好，包括尾空泡演變以及豎直方向位移，可以認為此仿真方法達到了要求的精度。

圖3 仿真相圖與試驗圖對比Fig. 3 Comparison of simulation diagram with experiment diagram

圖4 豎直方向彈道曲線對比Fig. 4 Comparison of trajectory curves in vertical direction

2 結果分析

2.1 典型工況下航行體出水流場結構分析

圖5和圖6所示為雙發航行體水下發射過程壓力云圖和體積分數云圖，發射速度為14 m/s。

其中發射間距（初始時刻兩發航行體中軸線距離）為1.5D2，發射時間間隔為0。0～12 ms為航行體出筒階段，即從初始時刻至航行體尾部完全出水過程；12～34 ms為自由航行階段，即從航行體尾部離開發射筒口至航行體頭部觸及水面；34 ms之后為航行體出水階段，即航行體頭部觸及自由液面至完全出水。

圖5 齊射出水過程壓力云圖Fig. 5 Pressure cloud during salvo water-exit

圖6 齊射出水過程體積分數云圖Fig. 6 Volume fraction cloud during salvo water-exit

從圖7中可以發現，雙發航行體最大阻力均發生在航行體出筒階段，相比之下，水中航行以及出水階段的阻力基本可以忽略不計，主要是由于出筒階段航行體從氣域運動至水域過程中流體介質密度發生突變，致使其阻力急劇上升。從圖8可知，雙發航行體沿著水平方向受力基本對稱，航行體頭部出筒過程中水平方向出現了短期的振蕩，隨后基本趨于穩定；從圖9可以發現，雙發航行體所受力矩大小相等，方向相反，最大值均出現在出筒階段，主要是由于受到航行體之間流場相互干擾影響。

圖7 Z軸方向阻力曲線Fig. 7 Resistance curve along Z-axis

圖8 X軸受力曲線Fig. 8 Force curve along X-axis

圖9 偏轉力矩曲線Fig. 9 Moment curve

2.2 不同發射速度下航行體受力特性分析

由圖 10可知，2種工況下航行體所受的最大阻力都發生在航行體“出筒階段”，即航行體所受阻力與發射速度二次方成正比；航行體在水中航行階段和出水階段所受的阻力相比出筒階段可以忽略不計。

圖10 不同發射速度下阻力曲線Fig. 10 Resistance curve at different launch speeds

3 結束語

本文基于動網格技術對雙發航行體齊射出水過程流動干擾特性進行了仿真分析，獲得如下結論：

1）在一定范圍內的發射間距下，航行體之間會產生明顯的流動干擾，對其受力特性產生明顯的影響。

2）雙發航行體齊射過程中，出筒階段航行體所受力矩最大，易發生偏轉，從而影響水下發射的安全性。

3）不同齊射速度下航行體出水過程中，所受最大阻力發生在出筒階段，水中航行以及出水階段較小，相比之下可以忽略不計，且航行體所受阻力與發射速度二次方成正比。