水下發射發射筒注水情況仿真分析*

周笑飛，姜毅，牛鈺森，拜云山，鄧佳

(北京理工大學, 北京 100081)

0 引言

水下發射過程中，海水在導彈出筒后將倒灌入發射筒中會產生水錘效應，這一效應對發射裝置結構和動態特性產生影響，對這一過程研究還處于起步階段，相關研究較少。倪火才[1]曾對實驗得到的水錘現象進行過理論性的研究，王亞東[2]曾對筒口氣泡特性進行研究，王漢平[3]曾對潛射過程的后效應進行分析，這些研究均未涉及到之后發射筒的注水階段，而發射筒注水本身是一個復雜的汽液兩相流相互作用的過程，有進一步研究的必要。由于三維模型在模擬兩相流過程中速度較慢且不穩定，以往對水下發射過程研究主要采用二維模型[4]，這需要忽略筒蓋對流場的影響，事實上筒蓋對發射過程、尤其是注水過程流場的流動情況影響十分顯著，因此本次仿真對注水過程建立了三維模型[5]，并添加了筒蓋結構。

本文采用FLUENT軟件進行研究，使用了 Mixture 兩相流計算模型來求解氣液兩相流場，使用了動網格技術以及自主編輯UDF程序，對注水過程進行仿真。下面簡要介紹仿真結論。

1 物理模型與計算模型

1.1 物理模型

本文采用的模型由發射筒、筒蓋、導彈組成，發射筒內注滿均勻的燃氣，導彈初始位置位于筒口，其余流場注滿海水，由于水下存在壓力梯度，因此利用自定義函數對海水區域壓力進行賦值，利用UDF對邊界壓力進行賦值。仿真過程由導彈從筒口[6]初始位置向上運動開始，動網格采用UDF進行編程，速度為實驗中得到的導彈運動速度。導彈向上運動，最終離開水面；發射筒內外的氣、液兩相相互作用，產生復雜的流動現象。圖1～4分別為筒部網絡模型，發射筒蓋網絡模型，海水計算網絡及拼接后整體模型示意圖。

圖1 筒部網格模型Fig.1 Mesh of the launch tube

圖2 發射筒蓋網格模型Fig.2 Mesh of the launch tube cover

圖3 海水計算域網格Fig.3 Mesh of the water area

計算時利用FLUENT將幾部分模型拼接在一起進行計算，為了今后對不同彈徑、開蓋角度、發射深度進行更細致的研究，因此在建模初期對模型采用了模塊化處理。

圖4 拼接后整體模型示意圖Fig.4 Overall model after stitching

1.2 計算模型

仿真過程中，采用有限體積法[7]對流場的控制方程進行離散化處理；氣液兩相流的流場采用 Mixture 多相[8]流模型進行求解；湍流模型選用 RNGk-ε模型[9]；

(1)

(2)

壁面設置為標準壁面函數；網格采用動態分層法進行更新[10]。

在一些研究空泡[11]問題的文章中，汽化模型非常重要，但本文并不關注彈頭位置的汽化作用，且研究過程中發現，所處位置壓力越大(水深越深)，海水越難以汽化。由于工質氣體與海水作用位置壓力較大，汽化對水下發射的后效應及注水過程影響較小，不影響流場的流動特性，為簡化計算，本文并未使用汽化模型。

2 仿真結果與比較

導彈按給定速度向上運動，導彈尾部氣體被抽吸形成尾部氣泡，隨著導彈向上運動，尾部氣泡逐漸拉長、并最終被拉斷，現象與以往對發射后效應的研究結果一致。由于筒蓋的影響，導彈尾部的空泡具有明顯的不對稱性。

各體積分數云圖(圖5)中，紅色為氣體，藍色代表海水，過渡顏色為氣、液相組分相混合。

圖5 發射筒口空泡氣體體積分數云圖Fig.5 Gas volume fraction cloud map of the launch tube

水下氣泡斷裂后，由于筒蓋造成的影響，使得海水沿筒蓋流入筒中。

海水注入發射筒后，產生第1道水錘效應。觀察可知，水錘效應發生時，并未出現大量海水集中作用在發射筒底部。倪火才認為水錘效應是由于海水的沖擊以及壓縮海水隨之產生的壓縮波共同作用形成的，但仿真結果表明，海水能否大量直接撞擊筒底和發射深度以及筒內平均壓力有很大關系。分析結果發現，水錘效應主要產生的原因是海水在注入發射筒過程壓縮筒內殘留的工質氣體所產生的壓縮波，這些壓縮波相互疊加，最終到達發射筒底部形成水錘效應。

空泡斷裂后氣體體積分數云圖如圖6所示；筒內注水置達到最大時氣體體積分數云圖如圖7所示。

圖6 空泡斷裂后氣體體積分數云圖Fig.6 Gas volume fraction cloud map after the vacuoles fracture

圖7 筒內注水量達到最大時氣體體積分數云圖Fig.7 Gas volume fraction cloud map of the max water in launch tube

通過仿真得到第1個周期內筒內壓力與注水量數據，并對比實驗得到的結果，進行如下分析。實驗得到的全階段水錘作用圖如圖8所示。

圖8 實驗得到的全階段水錘作用圖Fig.8 Experiment result of water hammer’s full-stage mechanism

圖9 仿真得到的水錘作用第一周期筒底壓力與注水量圖Fig.9 Pressure and water injection of the first water hammer cycle at the bottom of the launch tube

觀察筒底壓力曲線和注水量曲線(圖9)可以發現：t0～t1時間段內，海水受重力作用注入發射筒后，壓縮筒內氣體，形成壓縮波沖擊筒底，形成水錘效應；t1～t2時間段內，壓縮波撞擊筒底后反彈[12]，此時壓縮波還未到達注入筒內海水的位置，筒內氣體繼續被壓縮，海水繼續注入發射筒；t2～t3時間段內，筒內氣體被壓縮后壓力增大，壓縮波在開口端反射為膨脹波，筒內氣體開始膨脹并將本已注入發射筒內的海水再次擠出發射筒，部分工質氣體在這一過程中排出發射筒；t3～t4時間段內，膨脹波在筒底反射，氣體繼續膨脹，氣體壓力進一步減小，海水繼續向筒外排出。此后筒底壓力和注水量將按此規律變化，變化過程中，由于能量損失以及氣體、海水壓力差不斷減小，水錘能量不斷減小，水錘峰值不斷降低。

對比仿真與實驗對比，與實驗結果相符度高，可以認為仿真結果可靠。

3 結論

(1) 對發射筒欠水過程進行分析，并與類似實驗結果比對，驗證了仿真的可靠性與可行性。

(2) 通過對仿真結果的分析，得出水錘現象的主要成因是由于海上壓縮筒內剩余氣體產生的壓縮波撞擊筒底引起的。

(3) 在發射筒注水過程中，筒底的壓力先上升后下降，出現明顯的水錘現象。

(4) 發射筒注水過程的第1個周期中，注水量也呈現先上升后下降的現象，這是由于筒內產生膨脹波將已經注入筒內海水擠壓出筒外引起的。

參考文獻：

[1] 倪火才.潛載導彈水下垂直發射時的“水錘”壓力研究[J].艦船科學技術,2000，1(1):46-49.

NI Huo-cai. Research on Water Hammer Pressure of the Underwater Vertical Launch[J].Science and Technology of Ship, 2000，1(1):46-49.

[2] 王亞東,袁緒龍,覃東升.導彈水下發射筒口氣泡特性研究[J].兵工學報,2011，32(8):991-995.

WANG Ya-dong, YUAN Xu-long, QIN Dong-sheng. Research on the Outlet Cavity Features during the Launch of Submarine Launched Missile[J].Acta Armamentaria, 2011，32(8):991-995.

[3] 王漢平,吳友生,程棟,等. 潛射模擬彈彈射后效分析[J].船舶力學,2010，14(10):1122-1128.

WANG Han-ping,WU You-sheng, CHENG Dong, et al.Analysis of Ejection After-Effect for Underwater Launched Emulating Missile[J]. Joumal of Ship Mechanics,2010，14(10):1122-1128.

[4] 侯金瑛, 譚大成, 畢世華. 導彈水下發射裝置內流場數值研究[J].彈箭與制導學報，2010，30(3):119-121.

HU Jin-ying , TAN Da-cheng , BI Shi-hua. A Numerical Research on Interior Flow for Underwater Launched Missile[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance，2010，30(3):119-121.

[5] 楊曉光. 潛射導彈水下發射及出水過程三維數值研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2009.

YANG Xiao-guang. 3D Numerical Simulation on the Process of The Missile Underwater Launching and Exiting from Water[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2009.

[6] 王漢平，吳菊華. 基于CFD的潛射導彈簡口壓力場預測[J].彈道學報，2008,20(4):73-77.

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):73-77.

[7] 李人憲.有限體積法基礎[M].北京：國防工業出版社，2005.

LI Ren-xian. The Basis of the Finite Volume Method[M].Beijing:National Defence Industry Press,2005.

[8] MANNINEN M, TAIVASSALO V, KALLIO S. On the Mixture Model for Multiphase Flow[R]. VTT Publications 288, Technical Research Centre of Finland, 1996.

[9] YAKHOT V, ORSZAG S A. Renormalization Group Analysis of Turbulence: I.Basic Theory[J]. Journal of Scientific Computing, 1986, 1(1):1-51.

[10] 郝繼光,姜毅,韓書永,等.一種新的動網格更新方法及其應用[J].彈道學報,2007,19(2):88-92.

HAO Ji-guang, JIANG Yi, HAN Shu-yong, et al. A New Dynamic Mesh Update Method and Its Applications[J]. Journal of Ballistics, 2007, 19(2): 88-92.

[11] 閔景新,魏英杰,王聰,等. 潛射導彈垂直發射過程流體動力特性數值模擬[J].兵工學報,2010,31(10):1034-1039.

MIN Jing-xin, WEI Ying-jie, WANG Cong, et al. Numerical Simulation on Hydrodynamic Characteristics of Submarine Missile in the Vertical Launch Process[J].Acta Armamentaria, 2010,31(10):1034-1039.

[12] 王保國,劉淑艷,黃偉光.氣體動力學[M].北京：北京理工大學出版社,2005：267-271.

WANG Bao-guo, LIU Shu-yan, HUANG Wei-guang.Gas dynamics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2005:267-271.