筒口气体喷射对水下航行器降载影响研究

程 栋, 陈飞宇,2, 卢丙举,2, 秦丽萍,2

筒口气体喷射对水下航行器降载影响研究

程 栋1, 陈飞宇1,2, 卢丙举1,2, 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)

通过在筒口喷射燃气射流形成稳定气幕, 可降低水下航行器发射出筒载荷, 提供良好的弹道环境。文中针对筒口燃气射流流量及提前喷射对航行器出筒载荷的影响, 建立了非定常多相流场模型, 分析了筒口气体射流分布规律、航行器表面压力和弯矩载荷, 对比分析了不同喷射流量、喷嘴位置及提前喷射下的出筒降载效果。结果表明, 喷射燃气形成的气幕能够有效降低航行器出筒载荷, 增大燃气喷射流量、均衡布置喷嘴位置以及提前喷射等措施有益于提升降载效果。

水下航行器; 气幕; 喷射流量; 非定常多相流

0 引言

水下航行器在垂直发射过程中, 横向海流载荷与筒口压力场作用会对其结构强度及出筒姿态产生重要影响。当航行器发射出筒时, 采取气体射流技术, 在筒口附近布置一定数量的燃气喷嘴, 通过喷射气体形成气幕, 可改善航行器出筒时的受力状态和姿态, 降低筒口压力场载荷[1-2]。

陈飞宇等[3]采用多相流混合模型, 通过试验验证了水下垂直非定常多相流场计算方法, 初步分析了航行器出筒过程气体分布情况、水动力载荷和表面压力分布规律, 对比分析了筒口气体射流降载效果。朱卫兵等[4]采用多相流模型对水下高速气体射流的流场进行了数值仿真, 得到了高速气体射流初期气泡的变化过程, 初步证明了气泡颈缩产生断裂的原因是气泡内外的压力差。刘海军等[5]研究了单孔情况下气幕的形态、长度和夹断点距离随马赫数的变化规律以及喷管几何尺寸对气幕最小直径的影响。曹伟等[6]采用数值仿真的方法, 研究了不同射流速度情况下航行器水下垂直发射过程中气幕形态、航行器表面压力及阻力特性等的变化规律, 得出气体射流速度不同时, 气体射流马赫数越大, 航行器总阻力系数越大。程栋等[7]研究了水下发射筒口气幕边界上下计算方法, 通过理论推导及试验验证了计算方法的正确性。尚书聪等[8-9]通过数值仿真研究了筒口气幕环境下导弹的出筒姿态以及导弹出筒的受力情况, 通过与无气幕环境相比航行器阻力减少了近一半。傅德彬等[10-11]在数值仿真中采用 Mixture 混合多相流模型及动网格方法对水下气密热发射进行了研究, 有效仿真了水下热发射的多相流耦合问题, 研究了喷口处的压力峰值及压力梯度变化。蔺晓建[12]通过试验和数值仿真相结合的方法对有无横流作用下同心筒发射水下气幕的形成规律、气幕特性及航行器的运动进行研究, 结合试验和数值计算说明气幕发射的优越性。

与以往学者研究同心筒气幕发射技术有所不同, 文中采用在筒口附近布置燃气喷嘴喷射燃气的方案, 在筒口形成气体通道以改善航行器在发射过程中的出筒载荷环境。文中基于Mixture模型, 湍流模型选用RNG模型, 仿真通过用户自定义函数(user defined function, UDF)控制航行器自发射至离筒的三维非定常运动。提取流场剖面液相分布图、航行器表面压力分布随时间的变化数据和航行器危险截面水动力载荷数据, 获得气体喷射流量与提前喷射对航行器出筒载荷的影响规律, 为航行器水下发射降载提供技术支撑。

1 数学模型

航行器运动涉及流体动网格技术, 同时使用滑移速度, 求解中使用到混合相的连续性方程, 混合的动量方程, 选用Mixture多相流模型, 湍流模型选用模型。

连续方程

动量方程

第2相的体积分数方程为

2 仿真模型

2.1 流场模型和边界设置

计算域形状与边界条件如图1所示。计算域远场设为固壁边界, 压力为当地水静压。发射筒底设为压力入口, 筒壁和航行器表面设为无滑移的固壁边界, 柱形区域的左侧外边界设为压力入口, 右侧外边界设为压力出口。考虑重力效应, 入口边界压力设为梯度分布, 设置横向流速模拟发射平台运动, 喷嘴处设为质量流率边界, 通过设置参数实现燃气喷射流量的调节。

图1 计算域边界设置

2.2 网格划分

使用滑移接口实现航行器及周围网格的运动, 动网格区域顶端和底端采用Layer方法实现网格的生长和消失。通过验证网格无关性, 使计算结果不存在网格划分偏差。按照以上要求划分网格, 计算域的网格划分如图2所示, 燃气喷嘴网格区域放大如图3所示。

图2 计算域网格划分

图3 头部及喷嘴网格划分

2.3 动网格设置

由于航行器在计算过程中为运动状态, 会引起流场网格的变化, 故采用动网格技术以实现整个发射过程中流场的非定常数值仿真。研究中, 航行器运动的整个通道需要不断更新网格, 所以将通道设置为变形区域, 通道外侧部分设置为固定区域。动网格区域设置如图4所示。

图4 动网格设置

2.4 出筒求解参数设定

按表1所列工况开展数值仿真。仿真采用2种喷嘴方案, 方案1采用8个喷嘴, 分别置于迎、背流两侧, 其中2个喷嘴位于对称面上; 方案2 采用3个喷嘴, 置于迎流面处, 其中1个喷嘴位于对称面上。喷嘴个数与分布方式设置如图5所示。

表1 数值仿真工况

图5 燃气喷嘴布置方案

2.5 航行器表面监测点设置

在航行器表面分布16圈压力测点, 每圈均匀布置8个监测点。为了较全面地捕获航行器表面压力, 在曲率较大的头部区域布置5圈测点, 圆柱段区域布置11圈测点。采用UDF捕获航行器表面压力变化规律。测点位置坐标如图6所示。

图6 压力监测点周向布局图

3 仿真结果与分析

3.1 航行器出筒流场特性

航行器在出筒过程中按照预定的速度规律运动。方案1(8喷嘴)中不同运动时刻的气液分布如图7所示, 其中蓝色部分为燃气, 红色部分为水。从图中可以清晰地观察到燃气生成、膨胀及航行器在燃气包裹下的运动过程。燃气喷出后在横向来流影响下产生横移, 燃气向筒口扩散、膨胀, 逐渐形成气幕, 覆盖于发射筒上方。航行器出筒过程中始终被气幕包裹, 出筒后逐渐脱离气幕。

图7 方案1(8喷嘴)出筒流场特性

图8为方案4(3喷嘴)方案流场气相云图, 较之8喷嘴布局, 由于单个喷嘴燃气流量的增大, 燃气较快到达筒口, 对称面上的气幕量增多, 对航行器的覆盖面积更广。在航行器危险截面到达筒口上沿时, 方案4中燃气生成的气幕能够完全包裹头部与出筒圆柱段, 从而对航行器运动形成保护。而方案1中航行器出筒后由于背流面气量较小, 在危险截面到达筒口上沿时刻未对整个航行器形成完整包络。

图8 方案4(3喷嘴)出筒流场特性

3.2 射流流量对航行器出筒降载影响

图9给出了方案1~3与无气幕工况下的法向力和弯矩的曲线对比。在航行器运动初期, 由于喷射燃气的影响, 筒口压力场分布不均匀, 迎、背流面压差较大, 导致航行器头部出筒时载荷增大, 此时燃气未能覆盖航行器。方案2由于迎流喷嘴燃气流量的增大, 有效减小了迎流、背流压差, 在0.1~0.16 s期间显著降低了法向力, 航行器出筒之后的弯矩波动较小。当尾部离开筒口后, 迎流面气体与背流面混合, 增大了背流面压力从而减小了压差, 使得法向力和弯矩有所降低。方案3中由于燃气流量较小, 在航行器出筒后迎、背流面的压差较大且压力分布不均匀, 载荷曲线振荡较大, 降载效果较差。

图9 方案1~3危险截面载荷曲线

图10给出了方案4~5和与无气幕工况下的法向力和弯矩的曲线对比。从图中可以看出, 从航行器出筒到危险截面到达筒口时刻, 较之全沾湿工况法向力均有具有一定的降低。从弯矩图也可以看出, 由于气幕的存在降低了出筒载荷。由图8也可以看出, 在航行器出筒之后燃气形成的气幕能够较完整地包裹住头部以及出筒的圆柱段区域, 为航行器出筒提供良好的弹道通道。在航行器运动初期, 2个方案的降载效果接近。在危险截面到达筒口处, 由于方案5燃气量较多, 形成的气幕包裹范围更广, 出筒载荷也有进一步下降的趋势。因此, 在喷嘴布置方案相同的前提下, 增大燃气流量可以显著降低出筒载荷, 但也需综合考虑装药量的限制, 优化喷射方案。

图10 方案4和5危险截面载荷曲线

上述内容研究了在相同喷嘴方案的情况下燃气量对降载效果的影响。同样, 当燃气量一致的情况下, 喷嘴布置方案也会影响航行器的出筒载荷。从表1可知, 方案2与5、方案3与4的燃气流量基本一致, 降载效果主要取决于喷嘴布置方案的差异。由图11和图12可知, 在航行器运动初期, 采用3喷嘴方案可在航行器迎流面较早形成气幕包裹, 降载效果较8喷嘴更为明显。当航行器危险截面到达筒口, 3喷嘴燃气形成的气幕包络范围不如8喷嘴方案, 迎、背流面存在明显的压差, 法向力曲线振荡显著, 降载效果弱于8喷嘴方案, 该现象也可通过图7和8进行验证。

3.3 提前喷射对航行器出筒降载影响

此前研究主要是基于燃气喷射与航行器运动同时刻进行, 在低流量喷射方案中筒口位置形成气幕时机有一定程度的滞后, 待危险截面到达筒口位置时不能形成完整的包络保护, 降载效果不理想。而一味增大喷射流量也会增加装药量, 不便于适装。从减小装药量、提高保护效率方面考虑, 有必要研究提前喷射对降载效果的影响。文中采用方案1航行器运动延迟燃气喷射0.05 s(延迟工况), 与航行器运动无延迟工况及方案5工况进行对比分析, 如图13所示。

图11 方案2和5危险截面载荷曲线

图12 方案3和4危险截面载荷曲线

图13 延迟工况与方案1危险截面载荷曲线

从图13可以看出, 燃气提前0.05 s喷射, 当航行器头部到达筒口处, 气幕分布比较均匀, 法向力在出筒时刻没有出现剧烈的波动, 从弯矩曲线也可以得出类似的结论。航行器出筒过程中压力曲线出现振荡, 由航行器迎、背流面的压差导致, 但延迟工况压力曲线的振荡程度要明显好于无延迟工况, 表明气幕分布均匀性可有效改善载荷波动程度。在危险截面到达筒口时刻, 可以看出延迟工况的降载效果显著提升, 在尾部离筒之前所受载荷均低于全沾湿工况, 降载效果明显。

将方案1延迟工况与降载效果较好的方案5(燃气量较大)相比较(见图14)。可以看出, 在航行器运动初期, 提前喷射燃气可有效改善筒口压力分布不均匀的问题, 降低航行器迎、背流面压差, 法向压力波动减弱。随着航行器不断运动, 2种工况下航行器迎、背流面压差与载荷波动趋于一致, 此阶段2种方案的降载效果相当。当危险截面出筒后, 方案5出现载荷增大且剧烈波动状态, 主要由于航行器迎、背流面的压力不均衡导致出现较大的压差。此时延迟工况的法向力与弯矩载荷波动较小, 降载稳定性及降载效果明显优于方案5, 且可携带更少装药量, 考虑到适装性与安全性, 延迟点火方案更有利于降低航行器出筒载荷。

图14 延迟工况与方案5危险截面载荷曲线

4 结束语

文中针对筒口燃气射流对航行器出筒降载效果的影响, 建立了非定常多相流场模型, 仿真了筒口气体射流下航行器发射过程的流场特性, 分析了航行器出筒流场分布规律, 获取了不同射流流量、喷嘴布置方案及提前喷射工况下的航行器法向力和弯矩载荷, 对比分析了不同气体喷射流量及提前喷射下的出筒降载效果, 得到以下结论:

1) 在发射筒口喷射燃气能够在航行器出筒过程中形成气幕通道, 降低航行器出筒过程危险截面载荷, 提高航行器发射可靠性与安全性。

2) 当喷嘴布置方案一定时, 通过增大喷射流量可显著提升降载效果; 当喷射流量一定时, 采用迎、背流面布置喷嘴方案能够更有效降低航行器迎、背流面压差, 保证航行器危险截面在出筒过程中受到较为完整的气幕保护。

3) 采用提前喷射燃气方案能够在航行器出筒前形成稳定的气幕, 有效改善出筒压力场环境, 降低危险截面载荷, 减小载荷波动程度, 为航行器提供良好的弹道环境。

文中针对筒口射流流量以及射流时机对降载效果的影响规律进行了一些探索, 具有一定的工程实用价值和参考。但文中仿真并没有考虑诸如多筒连射状态下筒口射流影响、射流引起的发射特征变化、发射平台适装性及安全性等问题。今后将以此为目标深入探讨, 以期获得良好的工程应用价值。

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Effects of Gas Jet at Tube Outlet on Load Reduction of Undersea Vehicle

CHENG Dong1, CHEN Fei-yu1,2, LU Bing-ju1,2, QIN Li-ping1,2

(1. The 713 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China; 2. Henan Key Laboratory of Underwater Intelligent Equipment, Zhengzhou 450015, China)

The stable gas curtain formed by gas jet at the launch tube outlet is conducive to the reduction of outlet loads during launch of undersea vehicle and to the better trajectory environment. In this paper, an unsteady multiphase flow field model is established to analyze the effects of the flow rate of gas jet at the tube outlet and the early jet on the outlet load of undersea vehicle, the distribution law of the gas jet at the tube outlet, and the surface pressure and bending moment of the vehicle. The outlet load reduction effectiveness under different gas flow rate, position of nozzles and early jet are compared. The results show that the outlet loads can be effectively reduced by the gas curtain, and the measures such as increasing the flow rate of gas jet, uniformly laying the nozzles and early jet are beneficial to the load reduction.

undersea vehicle; gas curtain; flow rate of gas jet; unsteady multiphase flow

TJ762.4; O359

A

2096-3920(2020)04-0382-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.005

2019-07-08;

2019-08-09.

装备预研基金项目(JZX7Y20190247021201); 军科委创新基金项目(081500).

程 栋(1966-), 男, 博士, 研究员, 主要研究方向为水下导弹发射技术.

程栋, 陈飞宇, 卢丙举, 等. 筒口气体喷射对水下航行器降载影响研究[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 382-388.

(责任编辑: 陈 曦)