航行体不同速度出筒尾部流场及受载特性分析

李智生赵欣

（1.91550部队大连116023）（2.大连大学信息工程学院大连116622）

航行体不同速度出筒尾部流场及受载特性分析

李智生1赵欣2

（1.91550部队大连116023）（2.大连大学信息工程学院大连116622）

以典型的大长细比轴对称航行体垂直出筒过程为对象，采用fluent方法求解三维轴对称非定常雷诺平均N-S方程，对不同出筒速度条件下的航行体尾部流场及受载特性进行研究，给出了水下航行体尾部流场及受载的变化规律。结果表明：数值模拟计算结果与试验测量结果吻合较好。不同的出筒速度条件下，航行体尾部流场及载荷压力均呈现明显的振荡现象。出筒速度越大，燃气泡发展越充分，断裂时间越早，筒口气泡和尾泡越大，对航行体的冲击越小；出筒速度越大，航行体加速度越小，所受流体载荷作用的时间越晚，振荡峰值越大。

水下航行体；出筒速度；流场；载荷

Class NumberV525

1 引言

水下航行体进行垂直发射时，需要依靠燃气发生器的燃气压力将航行体弹射出筒。出筒速度增加，航行体尾部受载增大，暴露在燃气中的航行体结构受到的温度和压力加大，相应阻力和速度损失变大，也就加大了空泡的产生和溃灭程度，加剧了出水横向载荷。因此，分析出筒速度对航行体尾部流场及载荷特性的影响，总结出筒速度影响下的燃气泡变化规律和压力场分布，为进一步研究出筒速度对航行体出水姿态的影响提供重要基础。

对于航行体垂直发射过程流场与载荷问题已有许多专家学者进行了研究。文献［1］等采用实验手段研究了航行体冷弹射出筒过程，并利用VOF模型对航行体尾部气团及空泡的形成与发展进行了数值模拟。在流场研究方面，文献［2］等基于二维不可压N-S方程，运用有限体积法建立了导弹水下发射内流场的数值模拟方法，获得了出管过程中不同时刻的压力载荷分布情况；文献［3～4］等通过数值模拟研究了潜射航行体水下高速运动过程中的空化流动的流场结构，分析了空化数及非凝结性气体含量对空化流动的影响。文献［5］等采用数值模拟方法分析了航行体垂直发射出水过程空泡溃灭及表面压力演化机理，提出了出水溃灭压力的物理模型，探索了空泡厚度、水层厚度、声速等重要参数的影响；文献［6～7］重点研究分析了潜射航行体尾部形状和尾部气团初始压力对航行体尾部流场以及轴向运动特性的影响。在载荷响应研究方面，文献［8］分析了轴向载荷对导弹梁模型横向振动频率的影响，给出了一种分析轴向载荷对潜射导弹横向振动频率影响的方法；文献［9～10］等对潜射火箭出水过程的横向响应载荷进行了研究，为类似问题提供了一种载荷计算的工程方法；文献［11～12］等对出筒过程中弹体的法向载荷振荡响应特性进行了动力学仿真，并对波形特征进行了对比分析，提出以载荷主体波系预报弹体表面法向载荷分布危险截面域的方法。

上述工作在航行体尾部流场和载荷的典型特征方面形成了一定的研究成果。目前来看，数值模拟方法是主要的解决手段，研究工作多是基于航行体筒中运动的内弹道部分，并且多数基于二维轴对称模型的一自由度数值模拟计算，且一自由度假设也使这种计算处理方法在研究中有着一定的局限性，例如无法研究非对称因素的影响，所以要模拟航行体尾部流场以及后效作用等复杂流场环境的发射过程，应该采用全尺寸的三维六自由度仿真计算。

本文采用fluent方法求解三维轴对称非定常雷诺平均N-S方程，对不同出筒速度条件下的航行体尾部流场及受载特性进行研究，给出了流场及载荷变化规律，并与实测结果进行对比，为实际工程应用提供依据和参考。

2 计算模型

2.1 计算条件

本文以典型细长体垂直出筒的水下航行体模型作为研究对象，为了简化仿真计算并不失真实性，对模型做以下近似假设：

1）计算流场采用三维模型进行仿真，为了降低网格量，提高计算效率，取半模进行仿真，即面对称。

2）计算起点取在离筒时刻，假定此刻筒内混合燃气压力、温度分布均匀且为静止状态；并对混合燃气作理想气体处理，气体参数按照实际混合燃气参数折算。

3）航行体的起始速度为出筒速度，作一维轴向运动。

4）暂未考虑水的汽化影响和发射筒体的传热损失。

2.2 计算域及网格划分

暂不考虑燃气后效对筒盖影响，建模时只保留发射筒和航行体的主体结构，由于航行体尺寸比较大，燃气泡断裂需要一定的位移，需要将计算域延伸指定为空气域；外围边界仅考虑艇体表面约束，其余边界均取为自由流边界，按照工况要求指定压力等条件，计算域如图1所示。

考虑到计算模型和流场的对称性，计算区域选半模计算，剖面处取为symmetry边界条件；发射筒壁面、弹体以及潜艇壁面边界均指定为wall；顶部指定为压力出口，其压力数值按照实际所处水深指定；整个流场处于垂直方向，故其压力全部按照重力梯度来给出；外场区域尺寸为r15000mm× 40000mm。

按照以上要求划分网格，得到航行体尾部网格分别如图2所示。

2.2 模型设置

采用如下参数设置仿真模型，如图3。

按如上设置进行非定常计算，仿真航行体弹射出筒的全过程。在仿真过程中，监视并记录航行体尾部中心点的压力值随时间变化关系，与此同时记录筒口气团形状随时间的变化规律。

2.3 模型校验

以实际试验发射工况为例，采用数值仿真方法对计算模型进行校验。仿真计算工况与实际发射工况相一致。从图4中可以看出，数值仿真和试验实测值的变化趋势是基本一致的。航行体尾部的压力脉动是由尾部燃气泡拉断过程中产生的脉动载荷所致，在一定程度上反映了流场计算的准确度，仿真和试验数据的一致性表明了所用数值算法和模型的可信性。（图中压力数据进行了无量纲化处理，其中ps为压力最大值）

3 出筒速度影响研究

研究中对模型进行简化，将航行体尾部离筒时刻，筒内燃气的温度和压力设定为恒定值，选取出筒速度分别为36/33/30m/s、发射水深为20m，艇速为0的条件作为航行体出筒过程影响进行研究。

3.1 航行体尾部流场分析

图4～8给出了不同出筒速度下燃气泡的密度云图，可以看出在不同出筒速度时，航行体尾部燃气泡的发展形态各有不同。出筒速度较低时，筒口燃气泡在径向的扩张更充分，这是由于燃气泡轴向运动受到弹尾的限制，当出筒速度越慢时，这种限制越明显，当泡内压力一定时，燃气泡的体积不断增加，因此燃气泡必然在径向上发展；出筒速度较小时，燃气泡越早出现收缩现象，可能由于筒内燃气压力相同时，气泡径向发展越快，则在气液交界面处的气水交互作用越大，能量损失越大；从断裂后尾泡体积来看，出筒速度越大，尾泡体积越大。

为了直观地看出出筒速度与燃气泡发展的关系，提取了筒口燃气泡的最大半径，图5所示为燃气泡最大尺寸随弹动位移的变化规律。初始速度越大，筒口气泡最大尺寸越小，且达到最大尺寸所需的航行体位移越小；随着气泡收缩，在航行体达到相同的位移时，初始速度越大，筒口气泡最大尺寸越大；出筒速度越大，断裂后的尾泡体积越大，与图5中的燃气泡密度云图相吻合。

图6 中的弹尾流场的压力云图可以看出，不同的出筒速度，航行体发射流场压力变化差异性较小，在压力云图中压力梯度变化最剧烈发生在弹尾和筒口。在0.5s时刻，弹尾燃气泡发生断裂，出筒速度越大，尾部压力梯度变化区域越大，这样会对航行体造成很大的冲击；出筒速度越大，发射筒口附近的压力梯度变化越大，因为航行体运动越快，燃气泡轴向发展越快，泡内压力下降越快，海水以及燃气泡断裂产生的冲击力对筒口的冲击。

图8 为不同出筒速度下弹尾中心处压力点随弹动位移的变化曲线。结合上面的密度云图和压力云图可以看出：发射后段（s＜14m之前）出筒速度越大，尾泡内压力越大；当尾泡断裂后，大致断裂的位置处于离筒口14m处，对应时间t=0.45s，尾泡收缩，速度越小，尾部压力峰值越大。

3.2 航行体受载特性

图9和图10为发射过程中航行体运动参数和受到横向流体载荷特性。结合两图可以看出：

1）出筒初期，出筒速度越大，其加速度越小，不过在量值上较小，对速度的影响较小；

2）发射初期，所受流体横向力和力矩振荡明显，速度越大，其幅值越大；速度越小，出现振荡时间越早。

4 结语

本文研究了不同出筒速度影响下，水下航行体尾部流场及受载的变化规律，结果表明：出筒速度越大，燃气泡发展越充分，断裂时间越早，筒口气泡和尾泡越大，对航行体的冲击越小；出筒速度越大，航行体加速度越小，所受流体载荷作用的时间越晚，振荡峰值越大。

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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，高级工程师，研究方向：水下测量及水动力研究。