鱼雷海水管路的流体力学分析

白照高，崔鑫山

(1.海军装备部，陕西 西安 710075;2.中国船舶重工集团 第七〇五研究所，陕西 西安 710075)

鱼雷海水管路的流体力学分析

白照高1，崔鑫山2

(1.海军装备部，陕西 西安 710075;2.中国船舶重工集团 第七〇五研究所，陕西 西安 710075)

管路系统的辐射噪声在军事上已成为衡量现代鱼雷总体先进程度的重要标志之一。针对鱼雷海水管路脉动压力大、引发辐射噪声显著的特点，本文利用流体力学(CFD)软件进行分析，得出流体速度与管壁压力随入口流量的变化规律，总结了引起脉动压力变化的原因。理论分析和仿真实验结果表明:管路设计中应避免使用弯管，减小压力脉动。

管路系统;脉动压力;流体分析

0 引言

鱼雷隐身攻击是指在不被攻击目标发现情况下实现鱼雷的发射、航行、探测和攻击。隐身攻击技术、制导技术和动力技术共同构成现代鱼雷3大标志性技术。制导技术决定鱼雷的精确打击能力，动力技术决定鱼雷的打击范围，隐身攻击技术则决定发射平台的生存性及鱼雷的攻击效果。

迄今为止，攻击目标发现鱼雷只能通过水声场探测鱼雷的辐射噪声，鱼雷辐射噪声不仅决定鱼雷线导导引精度、攻击隐蔽性和攻击目标的逃逸、反制时间，直接影响鱼雷的命中概率，还关系到发射平台的隐蔽性和安全性。因此，为了提高鱼雷的作战性能，必须有效降低其辐射噪声。

鱼雷管路系统用于传输海水、燃料、液压油等流体介质。管路系统不仅传递结构振动，其内部的流体介质还会携带着压力脉动到各个舱段，导致各舱段壳体振动，进而引起结构辐射噪声，且流体压力脉动还会通过海水管路直接对外辐射噪声。所以，为了有效降低鱼雷噪声，必须针对海水管路振动特性及其内部流体压力脉动特性开展研究，有效降低海水管路辐射噪声。

本文基于计算流体力学(CFD)的理论，利用流体力学商业软件FLUENT对海水管路进行了压力脉动仿真分析，以鱼雷管路系统内部流场为研究对象，获得了稳定入口速度下的流场分析结果，同时输出管路壁面的压力值和速度分布情况，对波纹管段消减压力脉动的效果进行了仿真验证，找出影响流量脉动的因素，为管路设计提供一定的依据。

1 海水管路压力脉动形成机理

管道传输流体需要齿轮泵加压做功，这种加压是间歇性的，由于间歇加压，管道内的压力在平均值上下波动(脉动)，即产生所谓的压力脉动，流体处于脉动状态，脉动状态的流体遇到异径管、控制阀、弯头等管道元件，产生一定随时间变化的激振力，在这种激振力作用下管道和设备产生振动。它是引起管道及其附属设备振动的主要原因［1－3］。

所以，如何控制压力脉动，使它处于允许值范围内，是解决管道振动的根本办法，对压力脉动仿真分析和计算可以为管道系统地优化设计提供一定的依据。

2 静压脉动仿真模型

本次分析以管路系统内部流场为研究对象，采用三维CFD软件FLUENT计算分析流体沿管路的流动情况，得出流场的稳态结果，同时输出管路壁面的压力值及管路内部速度云场分布图，并就管路各段的压力损失值进行了比较。

2.1 计算模型

图1是整个海水管的三维外观图，而本文研究对象主要是管路内部流场，图2是整个海水管内部流体示意图。

2.2 网格划分

在CFD中，网格单元类型的选择关系到计算效率和计算精度，结构网格数量少，单元变形特性好，可以很好地控制流向性分布及边界层方向的正交性，具有其他网格无法比拟的优势［4］。为了保证网格质量和计算的准确性，本文主要采用结构网格，海水管路内部网格划分如图3所示。

为更好地保证网格质量，提高求解精度，对边界层进行了加密，采用O形网格技术来生成六面体的边界层单元。O形网格如图4所示。

2.3 计算方法

按照海水管路的尺寸建模，采用结构化网格，网格总量在58万个左右，其中包括1 827 878个faces和643 187个nodes。在FLUENT中对管道内部流动状况进行模拟时，边界条件采用如下设置，其他采用默认设置。

1)进口:流量进口分别为2.94 m/s;

2)出口:自由射流出口(outflow);

3)湍流模型:K-epsilon(2 eqn)，湍流强度为10%，水力直径为管道直径;

4)管壁:无滑移壁面;

5)收敛标准:平均残差在1e－4以下;

6)流体属性:密度为998.2 kg/m3，黏度等于1e－03;

7)离散格式:二阶迎风格式，绝对稳定且精度较高;

8)压力与速度耦合:SIMPLEC算法。

3 静压脉动仿真结果分析

3.1 海水管的压力场分析

利用FLUENT 3D求解器对流动区域进行求解计算，运行1 000步迭代，计算到800步收敛，收敛残差1e－4。海水管的压力云图如图5～图8所示。

压力损失是指海水管入口与出口之间的气体压力之差。海水管路在具有良好的降噪功能的同时，必须具有较小的压力损失。管路的压力损失越大，输出功率越小且能耗越高。因此，在设计中应当考虑结构引起的压力损失，管道折弯和截面等处结构变化尽量缓和，以免造成压力损失过大。

通过各个压力云图，可得到以下结论:

1)管路入口段压力明显比较大，达到5.44e+04 Pa;

2)拐弯处由于流体加速，出现明显的低压区。弯曲半径越小的壁面压力越低，在90°的拐弯处，压力梯度在径向方向呈明显的阶梯状分布(如图7所示);

图8 波纹管压力云图Fig.8 Pressure distribution of the bellow

3)海水管削减压力的作用比较明显，从图5和图6可以看出，整个海水管路压力递减趋势层次清楚，波纹管中间处的压力为2.27e+04 Pa，接近海水管入口处压力的一半，出口管路由于管路截面增大，在弯管上端存在局部高压，弯管下端存在低压区，产生流动漩涡，整体管路压力变化不大，约为4.47e+02 Pa。压力梯度不明显;

4)从图8可以看出，带波纹的海水管路中间段压力变化明显，波纹的存在使得产生压力损失，造成压力进一步减小，出口处的压力接近入口处的1/10，由此可以证明波纹管削减压力的效果明显。

从管壁压力云图可以看出，海水管内部压力从入口端面到出口端面呈阶梯状依次降低，这种压力梯度有利于流体在腔内流动，从而达到消减压力脉动的效果。海水管各段的压力损失值见表1。

表1 海水管各段的压力损失Tab.1 The pressure loss of seawater pipe

从表1可以看出，90°弯管的压力损失最大，波纹管段次之，直管段压力损失最小。对于90°弯管，拐弯处由于流体加速，从进口射出的高速流体与波纹管段的低速流体相互冲击形成湍流，在拐弯处形成较大的涡流和回流，造成压力损失。

当流体从波纹管段流入流出时，由于波纹的存在，期间流通截面发生连续变化，致流动状态突变，产生涡流现象，从而消耗能量，进一步产生压力损失。

在直管段，管路内壁截面均匀，流速和压力没有显著变化，产生的压力损失也最小。

流体由于离心力在90°弯管弧处形成2次旋流，致使流场发生明显的紊流变化，导致速度值发生明显变化，流体分子相互碰撞，由此造成压力值明显减小，即是弯管压力损失的主要原因。

3.2 海水管速度场分析

在进口流量为2.94 m/s、出口为自由射流的工况下，海水管路中间截面和入口的速度云图如图9和图10所示。

由图中可以看出:

1)在弯管段，速度场的变化跟压力场正好相反，压力变大的区域速度明显变小，这是由于弯管处流体明显加速所致;

2)在波纹管段，管路中心速度最大，达到8.07 m/s，流体出现一定程度的湍流现象，速度沿径向方向不断减缓，在管路壁面处速度减小为0;

3)在海水出口的拐弯段，由于管路横截面积变大，使得靠近管路上壁面的部分出现速度明显减小的区域，而中心处流速较大，此处会产生很大程度的回流现象。

4 结语

本文主要从流体动力学角度对海水管进行了研究，分析了流体的速度以及压力损失随管道形状的变化规律，得出以下结论:

1)在管路设计中，从减小管道压力损失、降低管路噪声角度出发，尽量避免急转弯，力求弯管的曲率半径尽可能大。异径管(变截面管)由于横截面积的变化，会导致流体速度和压力的剧变，因此应尽量避免选用。

2)在降低管道振动传递的途径上，可以设置隔振元件，如波纹管、弹性接头等。使管系结构不连续，结构中的振动会在不连续处发生反射和透射［5－6］。削减管路中的压力脉动一方面通过安装水动力消声器等，也可以重点研发管道内部结构，降低管道内部脉动。

3)通过分析，总结了不同结构形式的管路产生压力损失的变化规律，后期可以通过不断优化管路结构参数，达到最佳的减振降噪效果。

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Fluid dynamics analysis of torpedo pipeline

BAI Zhao-gao1，CUI Xin-shan2
(1.Naval Equipment Department，Xi'an 710075，China;2.The 705 Research Institute of CSIC，Xi'an 710075，China)

The radiation noise of piping system has become one of important marks that measuring the overall advanced degree of modern torpedo.According to the characteristics of pressure pulsation and radiation noise.CFD software is used in this paper to analysis，drawing a conclusion that the velocity of the fluid and the pressure of the pipe wall are changing with the inlet flow.This paper Summarizes the reasons for the change caused by the pressure fluctuations.Theoretical analysis and experimental results show that piping design should avoid to use tube bending and reduce pressure pulsation.

piping system;pressure pulsation;fluid dynamics analysis

TJ630.1

A

1672－7649(2012)03－0032－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.006

2011－12－05;

2011－12－28

白照高(1966－)，男，高级工程师，主要从事海军装备技术管理工作。