水下垂直发射燃气后效对筒盖系统的影响研究

祁晓斌， 王瑞， 袁绪龙， 曹中臣， 刘传龙

(1.西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099； 2.西北工业大学 航海学院， 陕西 西安 710072；3.中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064)

水下垂直发射燃气后效对筒盖系统的影响研究

祁晓斌1， 王瑞1， 袁绪龙2， 曹中臣1， 刘传龙3

(1.西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099； 2.西北工业大学 航海学院， 陕西 西安 710072；3.中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064)

在蒸汽- 燃气弹射式水下垂直发射过程中，当弹尾离开发射筒时，燃气在筒内余压作用下瞬间溢出，与海水掺混，形成的筒口燃气泡。燃气泡周期性的膨胀- 收缩引起筒盖的运动，会给筒盖系统的安全性带来隐患。基于计算流体动力学CFD软件中的Fluent软件包，采用动网格技术和Mixture模型对导弹离筒过程燃气后效及其对具有柔性支撑筒盖系统的影响进行了数值模拟。研究了筒口气泡膨胀- 收缩的周期性过程，获得了出筒过程中，筒盖的运动规律和受载特性。仿真结果表明，筒盖特征测点压力值与试验测量结果吻合度较高，验证了该研究方法的有效性，为筒盖系统的设计和安全性评估提供了研究方法。

兵器科学与技术； 水下垂直发射； 燃气后效； 柔性支撑； 动网格技术

0 引言

燃气后效是当导弹尾部离开发射筒时，发射筒内的高温高压燃气溢出筒外，在筒口形成了大量气泡，与周围水环境相互作用形成了具有较大破坏作用的压力场[1]。由于气泡弹性[2]的存在，筒口气泡周期性的膨胀与收缩，引起筒口压力场的脉动，筒盖系统处在其影响区域，从而对筒盖系统产生强烈的冲击，引发严重的受损事故，因而有必要对筒盖受到燃气后效影响时的流场规律和受载特性进行研究。

随着流场数值模拟准确性的不断提高，在导弹水下发射研究领域，计算流体动力学(CFD)作为一种经济、高效的研究工具被广泛使用。李杰等[3]通过对导弹离筒后燃气后效的研究，以导弹尾部压力随时间的变化验证了筒口燃气泡在水下周期性脉动特性，阐述了其对导弹受力影响。刘传龙等[4]建立了考虑适配器弹性约束和弹体三自由度的耦合求解流场和弹体运动的非定常数值模型，阐述了筒口气泡弹性对弹体载荷的影响，同时获得了出筒过程中的弹体运动、受载及适配器变形情况。王汉平等[5]基于VOF模型对潜射模拟弹筒口压力场及其对筒盖系统的影响进行了建模仿真，研究了筒盖的受载特性。

本文利用商业软件CFD中的Fluent软件包，建立基于柔性支撑下的筒盖系统水下垂直发射模型，采用Mixture多相流模型，结合求解三维Navier-Stokes方程的数值方法与动网格技术，计算了弹尾离筒后筒口燃气流场，提取了筒盖特征点压力值，并将仿真结果和试验数据对比，结果吻合度较高，获得了筒盖的运动规律和受载特性，本文所建立的仿真方法对筒口燃气流场和柔性支撑系统中筒盖受载研究有一定的应用价值。

1 水下垂直发射模型建立

1.1 筒盖建模

建模时，仅保留筒盖结构，并将筒盖视为刚体，忽略筒盖和发射筒之间连接的铰支结构等细节，将具有柔性支撑的筒盖系统等效为一个受外力激励作用的扭簧振子，筒盖的运动是绕轴承基座铰链轴的旋转运动。

建立如图1所示含筒盖的发射系统，筒盖参数见表1，定义X坐标轴、Y坐标轴是Fluent软件包提供的全局坐标系，为了简便起见，输出筒盖受载时先输出X坐标轴、Y坐标轴下的分别在X方向和Y方向上的受力，然后再转化到图1中所示的FX方向和FY方向进行分析。测点P位置在筒盖坐标系中坐标为(95 mm,1 201 mm,0 mm)。

筒盖的转动通过动网格技术中的局部重构和弹性光顺滑来实现，需要设置相关参数来保证计算的收敛，同时让每个时间步输出筒盖系统的运动参数(筒盖转动角度α、转动角速度ω)以及筒盖所受载荷(X方向受力FX、Y方向受力FY、铰支力矩MZ)，考虑到筒盖系统依靠弹性缓冲支撑，建立的运动控制方程为

(1)

式中：I为筒盖绕转轴的转动惯量；Mf为流场作用于筒盖的转矩；k为筒盖系统的支撑刚度；α=αs-αo，αo为筒盖的开盖角度，αs为筒盖的摆动角度。

筒盖运动区域网格划分采用非结构网格，要保证靠近筒盖面网格细密，可适应并行化计算网格量在如图2为筒盖附近的网格划分细节，图2(a)为筒盖与对称面相交处的对称面网格，图2(b)为筒盖表面的网格划分。

图2 筒盖部分的网格划分Fig.2 Grid divison of launch tube cover

1.2 弹体运动建模

本文研究中，不考虑艇体表面外形和导弹头部外形，建模时只保留发射筒装置的主体外形和弹尾结构对筒口燃气泡发展的影响；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；整个流场处于垂直方向，故侧边压力出口全部按照重力梯度来给出。外场区域尺寸20 m×16 m×8 m，计算域如图3所示。

图3 计算域Fig.3 Computational domain

对于本文研究中使用的典型计算网格，网格数量在143万，六面体结构化网格占优，可适应并行化计算。

将导弹的运动类型简化为一维运动，即导弹在出筒过程，沿直线运动，弹体受到的力主要有：发射筒高压燃气弹射力F，自身重力G，弹体轴向阻力f(主要由水的压差阻力和黏性阻力构成)。弹体的运动方程为

(2)

式中：m为导弹质量；v为导弹运动速度。

利用欧拉积分计算每一时间步的弹体速度v和位移s，更新网格信息，进行下一时间步计算。通过不断迭代计算，来获得导弹的运动参数。

1.3 数值模型设置

模型设置需要注意以下5点：

1)采有RNGk-ε湍流模型，并结合Mixture多相流模型，考虑燃气相的压缩性，不考虑相之间的滑移；

2)导弹水下垂直发射出筒速度较低，水汽相变效应不明显，不考虑水汽相变效应以及空化效应；

3)压力速度耦合算法选用PISO算法，压力项离散方法选用PRESTO方法，副相体积分数离散方法均采用1阶迎风格式；

4)开启网格重构并设置合理的参数对计算的收敛性有很大帮助，具体参数设置见表2；

表2 网格重构参数

5)计算采用非定常计算，发射参数见表3，选择合理的步长，保证计算的收敛性和计算结果的合理性。

表3 发射参数

2 仿真结果与分析

2.1 筒口气泡发展

图4 筒口气泡形态演变Fig.4 Morphological evolution of bubbles at tube outlet

取导弹弹尾离筒时刻为零点时刻，该时刻发射筒内为混合燃气，发射筒外为水，而后燃气随着弹尾离筒而溢出到外部水环境中。图4为发射过程中的筒口气泡形态压力云图，给出了筒口区域内燃气泡初生、演化、溃灭的全过程。气泡的弹性效应：在惯性作用下，气泡在水下形态发展呈现弹性效应，即周期性地膨胀和收缩，导致泡内压力周期性变化；弹尾离筒时，筒口附近区域处于高压状态，由于筒盖系统的存在，筒口周围燃气泡出现不对称效应，导致筒盖内侧先开始受到燃气泡的扰动；由于筒盖系统存在阻尼力，随着受载逐渐增大，当受载扭矩超过阻尼力，筒盖开始向背离弹体的方向运动，此时筒盖内侧受到的压力降低，图4中，时间t=0.14 s；当燃气泡膨胀到一定体积后，甚至将筒盖覆盖，导致泡内压力降低，由于受到当地静水压的作用开始收缩，筒盖由于惯性还要继续运动一定角度后开始减速，筒口附近的燃气泡，弹体离筒后会一直持续膨胀- 收缩的过程，筒盖伴随出现在开盖角度位置往复运动。

2.2 筒盖特征点压力变化规律

图5为筒盖壁面测点P无量纲压力p/ps随时间变化曲线，p为测点压力，ps为参考压力。

图5 测点P压力无量纲压力变化Fig.5 Dimensionless pressures at Point P

从图5可以看出，特征点压力数值仿真结果与试验数据的变化趋势和量级基本一致。筒盖处的测点压力脉动是由筒口气泡和水交互耦合所致，间接显示燃气泡的脉动规律基本按照正弦函数，同时在一定程度上反映了筒口流场计算的准确度，仿真和试验数据的一致性表明了本文的计算模型和数值算法有较好可信度。

2.3 筒盖运动特性

图6中,图6(a)给出了筒盖转动角度的时间变化规律，图6(b)给出了筒盖转动角速度的时间变化规律。结果表明：摆动角度和角速度规律基本呈正弦函数，摆动频率在2～4 Hz之间。燃气泡第1次膨胀，在t=0.14 s时刻，筒盖最大摆动角度为6.19°；在下一次的收缩过程中，在t=0.43 s时刻，筒盖最大摆动角度为9°，燃气泡在随后的膨胀与收缩中，筒盖的摆动角度幅度为±12°左右，是由于在t=0.50 s后，弹尾燃气泡断裂的冲击和海水压力的作用对筒盖的运动受到影响。

图6 筒盖运动参数Fig.6 Motion parameters out of cover

图7 筒盖载荷随时间的变化曲线Fig.7 Load of cover vs.time

2.4 筒盖受力特性

由于气泡附着在筒盖的内外表面，气泡的压力变化会影响到筒盖受力，图7为筒盖在X方向和Y方向的受力FX、FY以及铰支力矩MZ随时间的变化曲线。由图7可获得以下结果：

1)发射过程中筒盖经受了多次正负受力，受力的主要方向是在垂直于筒盖的方向，筒盖受力随着燃气泡形态的变化而变化，发射初期产生了剧烈的正向脉冲；当筒盖开始运动后，燃气泡压力逐渐减小，法向载荷FY最大值出现在流场燃气泡第1次收缩和第2次膨胀阶段；

2)筒口压力场变化来源于筒口燃气泡和水介质以及筒盖的耦合交互作用。结合图4，燃气泡压力升高时造成筒盖受载出现正峰值，筒口压力升高；反之，筒盖受力呈现负峰值，筒口压力出现负压，引起海水倒灌[6]至发射筒内；

3)筒盖法向力FY和铰支力矩MZ变化趋势基本一致，仅在局部存在差异，说明压心位置未发生较大的变化。

3 结论

本文建立了考虑筒盖系统柔性支撑的耦合求解流场和弹体运动的非定常数值模型，对导弹离筒过程中的筒口流场和筒盖载荷特性进行了仿真计算。通过对筒盖特征点压力的仿真与试验数据的相似性验证，验证了该模型的合理性并获得以下结论：

1)弹体离筒后，筒口气泡随着弹体的运动，燃气泡内的压力、温度发生变化，导致气泡发生周期性的膨胀与收缩，最终引起筒盖的周期性摆动。

2)获得筒盖摆动规律及载荷特性曲线，得到了发生最大摆动开盖角度及载荷力的最大峰值时间，最大摆动角度发生在燃气泡第2次膨胀时刻，随后筒内外的压力差逐渐缩小，筒盖逐步恢复到开盖角的位置。

References)

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[3] 李杰，鲁传敬.潜射导弹尾部燃气后效建模及数值模拟[J].弹道学报，2009,21(4)：6-8.

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LIU Chuan-long, ZHANG Yu-wen, WANG Ya-dong, et al. Investigation into load characteristics of submarine-launched missile being ejected from launch tube considering the adapter elasticity[J]. Acta Armamentarii, 2015,36(2):379-384.(in Chinese)

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ResearchontheGasAftereffectandItsInfluenceonLaunchTubeCoverDuringUnderwaterVerticalLaunching

QI Xiao-bin1, WANG Rui1, YUAN Xu-long2, CAO Zhong-chen1, LIU Chuan-long3

(1.Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099，Shaanxi，China; 2.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China; 3.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, Hubei, China)

When a submarine launched missile is ejected from the launch tube with a gas-steam ejection system, the gas in the launch tube is overflowing under the action of residual pressure in launch tube, and then interacts with seawater to generate the bubbles at the outlet of launch tube. The periodic fluctuation of gas bubble enables the cover to move, which causes the safety issue of the launch tube cover system. Base on CFD software Fluent, dynamic mesh method and Mixture model are used to simulate the evolution process of gas bubble and its effect on the launch tube cover system with flexible-support. The movement law and load characteristics of the launch tube cover are obtained by studying the periodic expansion and contraction process of the bubble at the outlet of launch tube. The simulated result shows that the simulated data agrees with the experimental data, which verifies the validity of the proposed method.

ordnance science and technology; underwater vertical launching; gas aftereffect; flexible-support; dynamic mesh method

TJ762.4+1

A

1000-1093(2017)11-2184-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.014

2017-04-07

祁晓斌(1988—)，男，工程师。E-mail：15829531983@163.com