同心筒水下发射筒口气泡变化的数值模拟

邓佳，毕世华，李景须

（1.北京理工大学宇航学院，北京100081；2.中国人民解放军93708部队，北京101300；3.北京电子工程总体研究所，北京100854）

同心筒水下发射筒口气泡变化的数值模拟

邓佳1，2，毕世华1，李景须3

（1.北京理工大学宇航学院，北京100081；2.中国人民解放军93708部队，北京101300；3.北京电子工程总体研究所，北京100854）

为了研究同心筒水下热发射过程中筒口气泡变化规律，采用三维多相流模型对发射过程进行了模拟。研究表明，同心筒结构应用于水下发射时筒口气泡受到弹体表面黏性力、气流附壁效应以及两相互相作用过程影响，筒口气泡的形态会经历3个典型阶段，筒口附近的压强和速度受气泡运动和发展影响而振荡变化。研究的结果在水下发射技术的发展上具有一定的理论意义和工程应用价值。

同心筒；多相流；数值模拟；动网格

与其他发射系统相比，同心筒结构的发射系统在性能和造价上具有一系列的优点，可以满足多种作战任务的需求［1］。自1991年同心筒式发射装置的基本原理［2］首次提出，Yagla［3］系统地阐述了同心筒发射装置的结构特点，对同心筒发射装置的结构参数对质量流量的影响做出了理论分析和实验研究；Weiland等［4］研究了同心筒在水下发射的应用，提出“破水发射”的概念。傅德彬等［5］建立用于同心筒发射数值分析的集中参数模型，分析了内外筒间隙尺寸对发射过程的影响；王亚东等［6-7］分析了气泡弹性对同心筒水下发射的影响；袁绪龙等［8］分析并总结了同心筒结构参数对內弹道的影响规律。

但之前的研究没有关注筒口处气泡变化，而筒口处气泡的变化直接影响到发射筒内流场。为此基于CFD方法，建立了水下垂直发射过程的流场模型，数值模拟了发射过程中筒口处高速气流的流动变化过程，并对其筒口处气泡内部的压强和速度变化进行分析。

1 物理模型和计算方法

1.1 弹体运动方程

在不考虑引起弹体径向偏转的推力偏心和来流速度等，导弹的运动可近似为只沿弹体轴线运动的动力学模型，表达式为

1.2 动网格控制方程

模拟导弹的出筒过程需要采用动网格技术。在动网格中计算流场时，通用变量φ在任意控制体V上的守恒方程可以表示为

式中：Γ为耗散系数；Sφ为φ的源项；∂V为控制体V的边界。

1.3 计算区域和网格

计算区域为同心筒内外区域所示，取三维模型的一半进行计算。发射筒间隙长度为7.2 m，内外筒间隙为0.3 m，间隙底部和顶部均有挡流环。计算网格区域分为固定网格区域和动态网格区域，其中动态网格区域用来模拟导弹的运动过程。整个区域采用六面体网格进行划分，整个计算域具有100万网格，其对称面分区如图1所示。

图1 计算区域分区示意图

1.4 计算方法

采用有限体积法对流场控制方程进行离散，湍流模型选用RNG k-ε模型［9］，采用标准壁面函数，动网格采用域动分层法［10］，采用Mixture多相流模型求解两相流场［11］。

2 边界条件和初始条件

1）发动机燃烧室的末端作为压力入口，总压、总温分别为9 MPa和3 450 K；外部水域边界为压力出口，温度为300 K，随水深变化的静压由UDF给出；

2）发射筒、导弹底部和头部均作为绝热壁面；动网格和静止网格区域的接触面作为Interface面；

计算模型中对燃气的性质及发射状态做如下假设：燃气为理想气体；不考虑水的汽化及水蒸汽的凝结；不考虑导弹头部的空化；不考虑艇速及艇壁的影响。初始时刻发射筒内为均压状态，充满的燃气温度为300K，发射深度为30 m。

3 结果和讨论

导弹在0.393 s离筒，此时弹体速度为32.19 m/s。在发射初期，随着筒内压强增加，燃气开始逐渐从内外筒间隙排出，形成“面包圈”形式的环形气泡；随着排出燃气量的增加，发射筒口的“面包圈”环形气泡逐渐沿轴向和径向扩展。从图2中可以看出，由于燃气流在筒口具有较大的轴向动量，其轴向上的膨胀程度要大于径向的膨胀程度。

图2 对称面气泡发展云图（0.016～0.046 s）

在发射初期，筒口燃气射流气泡的膨胀速度快于弹体的运动；筒口气泡的体积变化显著，未发生筒口气泡的颈缩、断裂等现象。在0.1 s时，弹体运动速度逐渐超过筒口气泡发展速度，出现弹体贯穿筒口气泡的典型形态，如图3所示。此时筒口气泡在水介质作用下受到阻滞并产生反转，其轴向发展变得缓慢而径向的膨胀空间增加。

图3 对称面气泡发展云图（0.1～0.2 s）

在弹体加速运动的过程中，弹体表面的柯恩达效应和黏性作用力开始表现出显著的作用。筒口气泡在弹体表面黏性作用力和低压区作用下沿轴向快速运动，发射初期形成的气泡远离了筒口位置，形成“蘑菇”形态。在气泡下部，由于弹体的带动和筒口排出燃气的补充，形成“蘑菇”根部结构。受弹体表面黏性作用和低压区作用，虽有颈缩现象的发生，但气泡断裂现象未出现。

气泡受环境水介质的阻滞作用运动速度明显低于弹体。在这一阶段，上述“蘑菇”形气泡的伞状边缘向弹体表面靠近，形成了较为完整的“纺锤”形态，如图4所示。受弹体表面黏性作用力、气泡内部气流动量等因素影响，“纺锤”形气泡跟随弹体运动，但速度明显低于弹体运动速度。在筒口附近，外部气泡与筒内气体保持连通状态，未出现明显的气泡断裂和脱落状态。

图4 对称面气泡发展云图（0.25～0.4 s）

为定量分析筒口气泡发展过程和内部压强变化规律，本节利用筒口附近的测点压强变化情况进行分析。在发射筒外部对称面上沿轴向和径向建立两个监测点A1和B1。这两个监测点均位于发射筒内外筒间隙出口正上方，A1距筒口0.8 m，B1距筒口1.3 m。

筒口气泡压强发展过程分为3个阶段，如图5所示。在第一阶段（t=0～0.05 s），0.02 s左右压力波抵达测点位置，监测点的压强陡然上升，达到压强峰值。由于A1监测点距离发射筒较近，受到的冲击作用要强，A1的压力峰值要大于B1；在第二阶段（t=0.05～0.16 s），筒口气泡推动水向上运动并经过监测点。在气泡前沿抵达测点时，由于气泡内燃气轴向运动受到环境阻滞，压力相应增加，部分气体沿径向流动；而在“蘑菇”状气泡伞形区域根部抵达测点时，测点压强又显著降低并达到最低值。在第三阶段（t=0.15～0.4 s），气泡主体越过监测点，且燃气具有一定的轴向速度，监测点A1的压强在大部分时间上均高于监测点B1的压强。在燃气流动过程中，受到两相界面不稳定影响，燃气流动通道截面积呈现间歇性的“膨胀-收缩”变化，测点压强也相应地呈现振荡变化。

在发射初期（t＜0.1 s），气泡尚未运动或发展至监测点区域，周围水介质在气泡作用下开始运动，在靠近弹体的监测点A1、B1附近，水流速度约为4～6 m/s。此后随着气泡运动至监测点区域，监测点反映出气泡内燃气流动速度。从图6中可以看出，随着径向距离的增加，燃气运动速度的呈整体下降趋势。当监测点位于气泡内部时，监测点速度呈现出显著的振荡变化，反映出在气泡内不同位置、不同时刻，燃气的流动速度受气泡形态和内部流动等多种因素影响，具有复杂的变化规律。此外还可以看出，B1的速度变化滞后于A1，表明距离筒口越远，环境介质受到的扰动越滞后。

图6 监测点速度变化曲线

4 结论

利用CFD方法，对同心筒水下发射过程中筒口气泡变化进行了模拟。从分析中看出，筒口气泡形态经历了3个典型阶段，一是在发射初期，由同心筒结构排出的水下气体射流受环形喷口形式影响呈现“面包圈”形态，其径向和轴向发展速度主要受排导燃气流量影响；二是在弹体头部穿过气泡后，筒口气泡在弹体表面黏性作用力和自身惯性作用下向前运动，形成“蘑菇”状形态；三是在环境水介质阻滞作用下，“蘑菇”状气泡的伞状边缘向弹体表面靠近，形成“纺锤”形态。在筒口气泡的发展过程中，受柯恩达效应影响，由筒口排出的燃气贴近弹体表面流动，并不断补充进入其典型形态结构中，未发生气泡的断裂和脱落现象。筒口附近压强和速度变化受气泡运动和发展影响，呈震荡变化趋势。

［1］李艳良.同心式发射筒流场计算及结构优化［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2006.

［2］谷荣亮，杜江，时继庆.战术导弹垂直发射系统的现状及发展趋势［J］.上海航天，2003（3）:28-32.

［3］John J Yagla.Concentric Canister Launcher［J］.Naval Engineers Journal，1997，1（9）:313-330.

［4］Chris J.Weiland，Pavlos P.Vlachosa，Jon J.Yagla.Concept analysis and laboratory observations on a water piercing missile launcher［J］.Ocean Engineering，2010，37（11）:959 -965.

［5］傅德彬，于殿君，张志勇.同心筒发射的集中参数模型及应用［J］.固体火箭技术，2012，35（3）:301-305.

［6］王亚东，袁绪龙，覃东升.导弹水下发射筒口气泡特性研究［J］.兵工学报，2011，32（8）:991-995.

［7］王亚东，袁绪龙，张宇文，等.气泡弹性对同心筒水下发射影响研究［J］.计算力学学报，2013（2）:313-318.

［8］袁绪龙，王亚东，刘维.同心筒水下发射内弹道建模与仿真研究［J］.弹道学报，2013，25（2）:48-53.

［9］徐小强.水下燃气喷管高速射流问题研究［D］.杭州:浙江大学，2004.

［10］郝继光，姜毅，韩书永，等.一种新的动网格更新方法及其应用研究［J］.弹道学报，2007，19（2）:88-92.

［11］曹嘉怡，鲁传敬，李杰，等.水下超声速燃气射流动力学特性研究［J］.水动力学研究与进展A辑，2009，24（5）: 575-582.

（责任编辑周江川）

Numerical Simulation of Change of Bubble in Tube Opening Underwater Launch Using Concentric Canister Structure

DENG Jia1，2，BI Shi-hua1，LI Jing-xu3
（1.School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.The No.93708thTroop of PLA，Beijing 101300，China；3.Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China）

In order to study the development change rule of bubble in tube opening during underwater launching process using concentric canister structure，three-dimensional multiphase flow model was used to simulate the process of launching.The results indicate that when concentric tube structure is applied to the underwater launch，bubbles at concentric tube edge are affected by projectile surface viscous force，airflow coanda effect and the above two phase's process between each other，and the shape of jet bubble experienced three typical forms.Pressure and velocity inside the bubbles oscillated and changed for the motion and development of bubble.Results of this study have theoretical significance and engineering value in the development of underwater launch technology.

concentric canister launcher；multiphase flow；numerical simulation；dynamic mesh

邓佳，毕世华，李景须.同心筒水下发射筒口气泡变化的数值模拟［J］.四川兵工学报，2015（11）：26 -28.

format：DENG Jia，BI Shi-hua，LI Jing-xu.Numerical Simulation of Change of Bubble in Tube Opening Underwater Launch Using Concentric Canister Structure［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：26-28.

U674.7+03.54；TJ762.4

A

1006-0707（2015）11-0026-04

10.11809/scbgxb2015.11.008

2015-06-12

国家自然科学基金（51306019）

邓佳（1984—），男，博士研究生，主要从事兵器发射理论与技术研究。