单筒多细长体航行器水下齐射载荷特性仿真

赵世平, 毕凤阳, 卢丙举, 袁绪龙, 秦丽萍



单筒多细长体航行器水下齐射载荷特性仿真

赵世平1,2, 毕凤阳1,2, 卢丙举1, 2, 袁绪龙3, 秦丽萍1, 2

(1. 中国船舶重工集团公司 第713研究所, 河南 郑州, 450015; 2. 河南省水下智能装备重点实验室, 河南 郑州, 450015; 3. 西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

针对单筒内密集布置多枚细长体航行器的水下齐射邻筒效应问题, 采用流体体积函数(VOF)和多相流等方法, 结合用户自定义函数(UDF)控制两发航行器运动的动网格技术, 考虑悬挂法兰、筒盖及潜艇外形等结构对筒口流场特性的影响, 建立了水下垂直齐射三维非定常多相流仿真模型，得到了邻筒水密头罩、海水倒灌水锤等载荷特性, 分析了双发齐射时首发航行器对次发航行器载荷特性的影响, 得到如下结论: 1) 首发航行器发射后筒口流场较快地趋于稳定, 次发航行器时邻筒水密头罩载荷稍小于首发航行器、规律相似, 即单筒多细长体齐射筒口流场对齐射间隔影响较小; 2) 航行器发射后发射筒内外流场较快地趋于稳定, 倒灌入发射筒内的海水量相对较少, 可能影响操艇性能; 3) 次发航行器对首发航行器的发射筒内水锤载荷特性以及流场特性均有较大影响。文中所做研究可为水下多细长体航行器密集布置结构方案论证及齐射安全性分析提供参考。

多细长体航行器; 单筒; 水下齐射; 载荷特性; 多相流

0 引言

采用水下单筒多细长体航行器密集布置发射技术, 可以增加潜艇携带武器的种类和数量, 提高潜艇的多用途综合作战能力, 这已成为潜载发射平台的一个重要发展方向, 对于促进我国潜艇及其武器装备的发展具有重要意义[1-2]。航行器水下发射载荷特性复杂且对发射安全性影响很大, 近年来一直作为研究热点, 取得了较多的研究成果[3-7], 但研究对象大多是关于“一筒一器”水下发射载荷特性, 关于单筒多细长体航行器的水下发射载荷特性研究成果很少。

采用水下单筒多细长体航行器密集布置发射技术(其水下发射流场特性见图1), 多个发射筒在一个大筒内紧密排列, 相邻发射筒之间距离非常小, 以致产生的冲击振动传递到相邻发射筒的载荷大大增加; 一个大筒内齐射时间间隔短, 航行器发射引起的流场载荷、结构冲击载荷等会影响后续航行器发射; 航行器水下“冷”发射底部燃气溢出发射筒后生成筒口气泡, 然后进行周期性的膨胀-收缩, 而且受到筒口结构影响产生筒口涡流, 在筒口形成一个相对持续时间较长、作用范围大的冲击载荷, 会影响筒盖[8]、邻筒水密头罩安全; 同时海水形似“水锤”冲向发射筒底, 对发射筒底产生很大的“水锤”冲击载荷[9-10], 影响贮运发射筒等结构安全。

基于以上考虑, 针对水下单筒多细长体航行器密集布置, 综合利用FLUENT中流体体积函数(volume of fluid, VOF)模型、动网格、多相流等先进流体仿真技术, 建立水下齐射流场特性三维非定常仿真模型, 获取邻筒水密头罩、水锤效应等齐射载荷特性, 为航行器水下齐射安全性、单筒多细长体航行器发射装置方案等研究提供有益参考。

图1 单筒多细长体航行器水下发射流场特性示意图

1 三维仿真建模

1.1 研究对象及网格

对研究对象建立三维仿真模型, 包括2枚细长体航行器、发射筒、水密头罩、以及影响筒口流场特性的悬挂法兰、筒盖和潜艇外形等结构, 如图2所示。由于仿真过程中涉及到2发航行器的运动, 研究对象具有不对称性, 故计算区域选用全模计算。同时, 考虑到计算的经济性, 对首发航行器从运动至出筒进行建模, 且对后续计算不会造成影响。采用动网格技术适应航行器运动。计算域如图3所示。

1.2 动网格技术

FLUENT求解器中提供的动网格方法包括Layering、Smoothing和Remeshing方法, Layering方法主要用于一维运动, 网格在一侧生长, 在另一侧消亡, 在边界运动过程中生成的网格质量较高。Smoothing和Remeshing方法常用于涉及航行器俯仰等复杂运动的计算, 可很好地适应边界变化引起的网格变形。

图2 仿真模型示意图

图3 计算域示意图

文中考虑到航行器为近似一维平动, 采用Layering方法。

1.3 网格划分

由于研究对象涉及了航行器运动产生的流场边界运动, 为了满足计算过程中网格重构的需求, 指定了流体运动区域和静止区域, 网格变形和重构仅发生于流体运动区域, 静止区域网格不参与重构。

按照层变(Layering)网格变形的需求, 考虑流场边界, 将运动区域选为发射筒轴向上包含航行器的区域, 贯穿至外场边界以充分利用网格。

为兼顾仿真有效性和经济性问题, 采用以下网格划分原则:

1) 整场网格足够细密, 使计算结果不存在网格依赖性;

2) 筒盖部分单独划分区域, 使用较密的非结构网格以适应复杂外形, 流场其他位置均采用结构网格划分;

3) 外场划分梯度网格, 靠近航行器位置网格细密, 远场较为稀疏;

4) 按层变动网格要求设置滑移边界。

完成了仿真模型网格划分, 网格量为2 355698, 具体如图4所示。

图4 计算域网格

1.4 多相流仿真

VOF模型的基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程以及体积分数方程, 分别为

为达到较好收敛性, 将气相设置为主相。

1.5 UDF技术

文中采用用户自定义函数(user defined function, UDF)编程方法, 实现了以下功能:

2) 定义流场边界上各相的分布规律, 初始发射筒外水相, 发射筒内为气相;

3) 解算移动边界的运动规律;

4) 求解航行器运动过程中的受力特性;

5) 自动输出和存储航行器的运动参数和力学参数;

6) 实现对计算域关心位置的流动参数的监测。

1.6 计算流程

航行器发射非定常模型主要分为流场求解、运动求解和边界运动3个模块。其中流场求解由FLUENT求解器完成, 提供运动求解的基本素材; 运动求解由UDF完成, 从流场求解结果中获取航行器受力和力矩, 根据运动和动力学关系求解运动; 边界运动由UDF控制, FLUENT求解器完成。

非定常仿真实现的基本流程如图5所示。

图5 非定常模型求解流程

2 齐射载荷仿真分析

2.1 邻筒水密头罩载荷仿真分析

在水密头罩上的特征位置处布置监测点, 通过UDF记录其压力值随时间变化情况。邻筒水密头罩载荷仿真结果如图6和图7所示, 可以看出:

1) 首发后0.8 s到次发前, 3号水密头罩处载荷基本稳定为海水静压载荷, 即首发后筒口流场较快地趋于稳定, 首发航行器对次发航行器影响较小;

2) 次发航行器发射时3号位置水密头罩所受流体载荷稍小于首发航行器发射时, 其对邻筒水密头罩影响也稍小于首发航行器发射时的影响, 即齐射对3号水密头罩影响较小;

3) 次发和首发时3号水密头罩处载荷均随着筒口气泡压缩和膨胀变化, 周期规律相似。

航行器离开筒口后, 发射筒内的高压燃气溢出, 形成气泡, 在惯性作用下, 气泡在水下形态发展呈现弹性效应, 会发生周期性地膨胀和收缩, 气泡内压力周期性变化, 从而导致水密头罩受力的周期性变化:

1) 初期, 高压燃气溢出形成的气泡, 泡内压力高于外界水压, 处于膨胀状态, 使得水密头罩受到的力增大;

2) 随着时间的变化, 气泡逐步处于过膨胀状态, 泡内压力低于外界水压, 气泡受力停止膨胀而转为被压缩, 水密头罩上的压力减小;

图6 筒口区域密度及压力云图

图7 邻筒水密头罩受力仿真结果

3) 当气泡内外压差逐渐减小, 达到内外压差平衡, 而由于惯性气泡继续被压缩, 继而气泡处于过压缩状态, 泡内压力大于外界水压, 而筒内继续排出的高压燃气又会填充进去, 使气泡又开始膨胀, 压力达到峰值;

4) 而后这种趋势继续, 筒口气泡多次经历膨胀、压缩过程, 使得水密头罩受到的力多次波动, 直至平稳。

2.2 水锤效应仿真分析

图8给出了齐射过程中首发航行器发射筒内的密度及压力云图。

图8 首发发射筒密度及压力云图

从图8中可以看出:

1) 发射筒内的压力变化与筒口燃气泡的发展相关。在0.2 s之前, 筒口的燃气泡随着航行器尾部的移动而被拉长, 逐渐膨胀, 造成筒内燃气压力的降低; 随着压力的降低, 泡内压力低于外界水压, 筒口的燃气泡与航行器尾部拉断脱离, 开始收缩, 造成筒内压力的回升; 海水开始倒灌, 进入发射筒内, 燃气逐渐向外溢出, 筒内压力下降, 首发航行器发射后筒口流场较快地趋于稳定; 当次发航行器离筒后, 次发航行器发射筒内高压燃气溢出膨胀、压缩产生较大压力场, 该压力场对首发航行器发射筒造成影响, 使得压力波动, 而且会使首发航行器发射筒内滞留气体溢出, 增加倒灌入其中的海水量。

2) 筒口环境的不对称性影响。由于发射筒筒口的筒盖、艇体形状的存在, 造成筒口环境的不对称性, 从图8中0.60 s的仿真结果可明显看出, 海水并不是从发射筒中心倒灌入发射筒内, 而是明显倾斜倒灌入发射筒内, 倒灌的海水首先作用于发射筒内壁上, 然后再作用于筒底。

图9给出了首发航行器发射筒筒底的受力情况。可以发现, 筒底受到的力具有脉动特性。开始, 发射筒内气体处于膨胀状态, 压力处于衰减阶段, 使得筒底受到的力减小; 随着航行器的运动, 空泡被拉断, “包裹”在筒口的气泡开始收缩, 进而筒内的压力逐渐上升, 受力增大; 海水倒灌进入发射筒内, 将剩余气体挤向筒壁, 最后气体与筒外相通, 筒底受力开始缓慢下降, 随后出现复杂的脉动规律; 次发航行器发射后, 其发射筒内溢出的高压燃气对首发航行器的发射筒筒口造成影响, 使之出现较大波动。

图9 首发发射筒筒底受力

3 结论

文中采用三维非定常多相流场方法进行了双发齐射载荷仿真分析, 获取了多细长体航行器密集布置情况下邻筒水密头罩及水锤效应等载荷特性, 得到如下结论:

1) 首发航行器发射后筒口流场较快地趋于稳定, 次发航行器时邻筒水密头罩载荷稍小于首发航行器、规律相似, 即单筒多细长体齐射筒口流场对齐射间隔影响较小;

2) 航行器发射后发射筒内外较快地趋于稳定, 倒灌入发射筒内的海水量相对较少, 可能影响操艇性能;

3) 次发航行器对首发航行器的发射筒内水锤载荷特性以及流场特性均有较大影响。

[1] 张义忠, 倪火才. 潜载导弹水下共架垂直发射方案探讨[J]. 舰船科学技术, 2005, 27(5): 55-60.Zhang Yi-zhong, Ni Huo-cai. The Concept of Submarine Launched Missile’s Common Frame, Modular and Vertical Launcher[J]. Ship Science and Technology, 2005, 27(5): 55-60.

[2] 倪火才. 潜载导弹水下发射技术的发展趋势分析[J]. 舰载武器, 2001(1): 8-16.

[3] 刘传龙, 张宇文, 王亚东, 等. 考虑适配器弹性的潜射导弹出筒载荷特性研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(2): 379-384.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.

[4] 王汉平, 吴菊花. 基于CFD的潜射导弹筒口压力场预测[J]. 弹道学报, 2008, 20(4): 73-76.Wang Han-ping, Wu Ju-hua. Forecast of Pressure Field Near Launch Canister Outlet for Underwater-launched Missile Based on CFD[J]. Journal of Ballistics, 2008, 20(4): 73-76.

[5] 张红军, 陆宏志, 裴胤, 等. 潜射导弹出筒过程的三维非定常数值模拟研究[J]. 水动力学研究与进展, 2010, 25(3): 406-415.Zhang Hong-jun, Lu Hong-zhi, Pei-yin, et al. Numerical Investigation to Vertical Launching of Submarine Launching Missile[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2010, 25(3): 406-415.

[6] 王汉平, 吴友生. 潜射导弹筒盖系统附加气室降载技术[J]. 弹道学报, 2011, 23(1): 102-106.Wang Han-ping, Wu You-sheng. Add-on Gas Chamber Technique for Depressing Load over Cover System of Underwater-launched Missile[J]. Journal of Ballistics, 2011, 23(1): 102-106.

[7] 张晓乐, 卢丙举, 胡仁海, 等. 水下航行体垂直发射筒口压力场L_E耦合数值模拟[J]. 舰船科学技术, 2016, 38(11): 151-155.Zhang Xiao-le, Lu Bing-ju, Hu Ren-hai, et al. L/E Coupling Numerical Simulation of Pressure Field Near Launch Canister Outlet for Underwater Vehicle Vertical Launch[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(11): 151-155.

[8] 王汉平, 吴友生. 潜射导弹筒盖系统附加气室降载技术[J]. 弹道学报, 2011, 23(1): 102-106.Wang Han-ping, Wu You-sheng. Add-on Gas Chamber Technique for Depressing Load over Cover System of Underwater-launched Missile[J]. Journal of Ballistics, 2011, 23(1): 102-106.

[9] 傅德彬, 于殿君, 张志勇. 潜射导弹离筒后海水倒灌效应数值分析[J]. 固体火箭技术, 2012, 35(2): 157-160.Fu De-bin, Yu Dian-jun, Zhang Zhi-yong. Numerical Simulation on Hydrodynamic Impact Effect after Submarine Launched Missile Leaves the Launcher[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2012, 35(2): 157-160.

[10] 殷崇一. 潜射导弹发射与出水载荷研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2004.

Simulation on Underwater Salvo Load Characteristics of Multi-Slender Body Vehicles in Single Launching Tube

ZHAO Shi-ping1,2, BI Feng-yang1,2, LU Bing-ju1,2, YUAN Xu-long3, QIN Li-ping1,2

(1.The 713 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China; 2.Henan Key Laboratory of Underwater Intelligence Equipment, Zhengzhou 450015, China; 3.School of Marine Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

In respect of the underwater salvo adjacent tube effect caused by dense arrangement of several slender body vehicles in single launching tube, the volume of fluid(VOF) and multiphase flow methods are used to establish a three-dimensional unsteady multiphase flow simulation model for underwater vertical salvo, in which the dynamic grid technology for user-defined function(UDF) to control the motion of two vehicles is adopted and the influence of suspended flange, tube cover and submarine shape on the flow field characteristics of the tube mouth is considered. Then, the load characteristics of adjacent tube watertight head cover and water back-flow hammer are obtained. The influence of first-launched vehicle on the load characteristics of second-launched vehicle is analyzed, and conclusions are drawn as follows: 1) After launching of the first-launched vehicle, the flow field at the tube mouth tends to stabilize quickly, and the load of watertight head cover of the adjacent tube is slightly smaller than that of the first-launched vehicle but with similar law when the second vehicle is launched. That is, the flow field at the tube mouth of single tube has little effect on the salvo interval; 2) After launching, the flow field of launcher tends to stabilize quickly both inside and outside, and the amount of seawater poured back into the launcher is relatively small, which may affect the steering performance of the submarine; 3) Second-launched vehicle has great influence on the characteristics of water hammer load and flow field of first-launched vehicle in launching tube. This research may provide a reference for dense arrangement scheme demonstration of underwater multi-slender vehicle and safety analysis of salvo.

multi-slender body vehicle; single tube; underwater salvo; load characteristic; multiphase flow

赵世平, 毕凤阳, 卢丙举, 等. 单筒多细长体航行器水下齐射载荷特性仿真[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(1): 31-36.

TJ63; O35

A

2096-3920(2019)01-0031-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.006

2018-08-10;

2018-08-26.

赵世平(1957-), 男, 研究员, 主要研究方向为水下发射技术.

(责任编辑: 许 妍)