雷彈發射系統應急發射狀態下發射閥內流場分析

王賢明，段　浩，王　云

（中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

雷彈發射系統應急發射狀態下發射閥內流場分析

王賢明，段浩，王云

（中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

發射閥是潛艇雷彈發射系統的重要部件, 其主要作用是準確控制氣體的流量以及壓力, 從而保證發射過程的精確性。文中采用商用CFD軟件, 建立了應急發射狀態下發射閥內流場的數學模型, 使用剪切壓力傳輸(SST) k-ω模型并結合動網格技術對該模型進行了數值仿真。仿真結果詳細直觀地描述了發射閥內流場各個階段的瞬態壓力、瞬態速度分布。所獲得的仿真結果可為發射閥流道的優化設計提供理論依據, 同時還可為研究潛艇發射系統的振動與氣動噪聲提供參考。

雷彈發射系統；發射閥；流場仿真；動網格；應急發射；氣動噪聲

0　引言

水壓平衡式雷彈發射系統利用壓縮空氣作為能源，通過不同的動力轉換裝置（往復泵式、氣動沖壓式或渦輪泵式）［1］實現魚雷的發射。雷彈發射系統［2］作為一種流體動力機械作用特殊，它的內部流體的流動情況直接或間接的影響了雷彈發射系統工作中所表現出的所有瞬態特性，而發射閥是雷彈發射系統的關鍵部件，影響雷彈發射系統瞬態特性從而實現對雷彈發射內彈道參數的控制。準確認識與把握詳細的發射閥內部流場流動特征，對研究雷彈發射系統的瞬態特性具有重要意義［3］。

發射閥能準確控制氣體的流量以及壓力，從而保證發射過程的精確性。正常情況下，發射閥可按程序控制模塊設定好的程序控制閥芯的運動，獲得不同的發射閥開啟面積變化規律。當電液伺服系統不能正常工作時，使用應急發射系統來操作。應急發射是在電控發射無法正常工作的情況下，通過應急系統使發射閥閥芯按某一恒定速度提起，將武器拋射出管，是保障武器成功發射的重要手段。對應急發射狀態下發射閥內部流場進行數值仿真，可以得到發射過程中發射閥內流場的瞬態壓力、瞬態速度分布情況。

1　模型的建立

1.1發射閥模型

發射閥結構如圖1所示，主要由截止閥、閥芯等部件組成，其3D模型剖面如圖2所示。

圖1　發射閥結構圖Fig.1　Structure of launch valve

圖2　發射閥3D模型剖面圖Fig.2　Sectional view of three-dimensional model of launch valve

從圖1和圖2可以看出，發射閥的一端連接高壓氣瓶，另一端與空氣渦輪機相連。發射開始時，閥芯向上運動使特形孔打開接通氣路，高壓空氣從高壓氣瓶中流出，從左側口進入發射閥，從下方口流入空氣渦輪機進氣口推動渦輪機轉動從而實現魚雷發射。在應急發射狀態下，閥芯按恒定速度提起，其閥芯開啟面積變化規律如圖 3所示。

圖3　發射閥開啟面積變化規律Fig.3　Variation of launch valve open area

1.2控制方程

氣體在發射閥內部流場的流動是可壓縮流動［4］。文中采用非定常3D可壓縮流體的控制方程組作為數學模型［5］。直角坐標系下，非定常3D可壓縮流體流動的瞬態控制方程組［6］為

1） 連續性方程

式中: ρ是密度；t是時間；u是速度矢量。

2） 動量方程

式中: u，v，w是速度矢量u在3個方向的速度分量；μ是動力粘度；p是作用在流體微元上的壓力；Su，Sv，Sw為廣義源項。

3） 能量方程

式中: T為溫度；c為比熱容；k為流體的傳熱系數；ST簡稱作粘性耗散項。

4） 狀態方程

1.3網格劃分和動網格

數值仿真的第1步是網格劃分，仿真能夠順利運行和仿真結果準確的關鍵步驟也是網格劃分。

相對于整個閥體結構來說，由于閥芯結構尺寸比較小，假如運用自動四面體網格進行網格劃分后的網格數量會很大且網格質量不會很好，導致仿真不能進行。同時如果選擇自動四面體網格的劃分方式就意味著網格的更新方式只能是彈性光順法和網格重構法，這對計算機硬件要求極高。為了兼顧網格生成質量、數量以及動網格技術能選用鋪層法，選擇全六面體結構網格劃分方式對發射閥內部流道進行網格劃分。

為模擬發射閥在開啟過程中的各種性能以及流場分布，需要使用動網格技術［7］。動網格即流場區域的某個邊界是隨時間而運動的，這個運動可以是固體物的直線運動或是繞著重心做旋轉運動，可以是預定的運動速度，也可以是隨著當前時間解的改變而變化的運動速度。邊界的新位置由Fluent自動執行更新。Fluent內置的滑移網格技術提供了將靜網格區域和動網格區域這兩部分網格連接起來的方法。

在進行計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）建模時，選取閥座與閥芯處氣流流經的發射閥內流道以及與之相連的管道作為數值仿真的計算域。利用ICEM對所選定的計算區域進行網格劃分。劃分好的網格模型如圖4所示，閥芯處的網格劃分放大圖見圖 5，其中網格節點1 082 356個，網格單元數1 042 270個。

圖4　發射閥內流場模型及網格劃分Fig.4　Model of interior flow field in launch valve and meshing

圖5　發射閥閥芯處網格劃分Fig.5　Meshing of launch valve core

1.4邊界條件及求解器設置

由于流體介質工況壓力較高，前后壓差較大，按照可壓縮流體計算，采用基于密度的求解器，流體介質采用理想氣體模型。求解模型采用剪切壓力傳輸（SST）k-ω模型。將發射閥入口指定為壓力入口邊界條件，利用渦輪泵發射數學模型求得的發射氣瓶出口壓力［8］作為壓力輸入值；發射閥出口使用壓力出口邊界條件，同樣采用渦輪泵發射數學模型求得的渦輪機進氣口壓力［9］作為壓力出口邊界條件的設定值，其余均采用壁面邊界條件。計算時對流場入口進行初始化處理，時間步長為定步長0.001 s，仿真結束時間為第0.86 s。為了更好地觀察流場隨著發射閥閥芯運動的變化，可在計算開始前設置相關流場的動畫以方便觀測整個流場的變化情況。

2　仿真結果及分析

計算結果的分析處理可以使用Fluent中提供的后處理功能，也可以對流場空間分布的顯示使用可視化的方法，從而使仿真結果更加直觀［10］。由于發射閥內流場仿真屬于非定常流動，需要對幾個特定的時刻點的瞬態流場進行分析。

2.1仿真結果

1） 閥芯剛開啟不久時的流場分布（t=0.05 s）

圖6～圖11分別是閥芯剛開啟不久時的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖分布。

圖6　z=0豎直平面壓力云圖（t=0.05 s）Fig.6　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.05 s

圖7　y=0水平平面壓力云圖（t=0.05 s）Fig.7　Pressure contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.05 s

圖8　z=0豎直平面速度云圖（t=0.05 s）Fig.8　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.05 s

圖9　y=0水平平面速度云圖（t=0.05 s）Fig.9　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.05 s

圖10　z=0豎直平面速度矢量圖（t=0.05 s）Fig.10　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.05 s

圖11　y=0水平平面速度矢量圖（t=0.05 s）Fig.11　Velocity vector diagram of horizontal plane（y=0）when time is 0.05 s

圖12　z=0豎直平面壓力云圖（t=0.4 s）Fig.12　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.4 s

圖13　z=0豎直平面速度云圖（t=0.4 s）Fig.13　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.4 s

在閥芯剛剛開啟的短時間內，從圖 6～圖 11可以看出，由于閥芯開啟面積較小，氣體速度極快，閥芯內氣體流速達到 660 m/s以上，而閥體內氣流速度不明顯；閥芯開啟時間極短，只有少量的氣體通過特形孔進入閥芯部位，所以閥芯壓力提高的區域較少，集中在閥芯中間區域，而閥體內壓力變化尚不太明顯。

2） 閥芯開度達到一半時的流場分布（t=0.4 s）圖12～圖14分別是閥芯開啟一半時的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖分布。在閥芯位置由剛開啟不久運動到開啟一半時，閥芯開啟面積增大，進入閥芯內氣體增多，壓力增大；而氣流速度也隨著開啟面積的增大而相對降低，由此，閥芯處的能量損失也會降低。

3） 閥芯開度達到最大時的流場分布（t=0.8 s）圖15～圖20分別是閥芯開度達到最大時的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖分布。從云圖可見，當閥芯運動到位不再移動后，閥體內壓力降低，閥芯處壓力增高，而氣流速度隨之降低。

圖14　z=0豎直平面速度矢量圖（t=0.4 s）Fig.14　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.4 s

圖15　z=0豎直平面壓力云圖（t=0.8 s）Fig.15　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.8 s

圖16　y=0水平平面壓力云圖（t=0.8 s）Fig.16　Pressure contours of horizontal plane（y=0）when time is 0.8 s

圖17　z=0豎直平面速度云圖（t=0.8 s）Fig.17　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.8 s

圖18　y=0水平平面速度云圖（t=0.8 s）Fig.18　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.8 s

圖19　z=0豎直平面速度矢量圖（t=0.8 s）Fig.19　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.8 s

圖20　y=0水平平面速度云圖（t=0.8 s）Fig.20　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.8 s

2.2結果分析

從上述瞬態壓力云圖、瞬態速度云圖和瞬態速度矢量圖可以看出，當流體通過閥芯特形孔處，流速增大，壓力減小，這是由于過流斷面面積在閥芯處突然減小導致的。隨著時間的推進，發射閥閥體內壓力逐漸降低，閥芯處壓力逐漸上升，閥芯特形孔處速度隨著開度的不斷增加而降低。

從各個時間段的壓力云圖得知，最大壓力分布在閥體內部，而在閥芯開口處，壓力梯度變化最大，顯然發射閥內部流場的壓降主要集中在此；從水平平面壓力圖發現，中間部分的壓力高于四周壓力，這是由于氣體通過 4個特形孔后會由水平運動轉為豎直運動，在閥芯中間部位發生碰撞堆積，導致中間部位壓力較高。

從各個時間段的速度云圖看出，發射閥閥體內部速度均勻，在特形孔處速度加大，閥芯開口稍下方達到最大流速，最小流速出現在主流道貼近壁面的區域；從水平平面速度分布云圖也可以發現特形孔處速度較大，而閥芯中間部位發生氣體碰撞堆積導致速度降低，并形成了大小不一的漩渦。

從各個時間段的速度矢量圖可見，在閥體內部速度矢量分布均勻，同時由于流道結構特性，在特形孔出口貼近壁面處出現了漩渦區；從水平平面速度矢量圖發現，閥體環繞閥芯的環形區域中氣體分別按順時針和逆時針方向流向最近的特形孔，通過特形孔匯聚在閥芯中間產生了漩渦，并且在各個特形孔之間的區域也產生了較小的漩渦，可見氣體在流道中的流動并不是簡單的軸對稱 2D流動，這是由于發射閥進氣口和出氣口各只有一個，這種結構的不對稱性導致了流動的不對稱，形成了漩渦。

3　結論

文中基于商業計算流體力學軟件Fluent對雷彈發射系統應急發射狀態下發射閥內流場進行了數值仿真，得到的流場數據可以得到如下結論:

1） 當流體流過過流斷面面積突然減小的閥芯處時，流速增大，壓力減小；

2） 閥芯開口處壓力梯度變化最大，發射閥內部流場的壓降主要集中在此；

3） 閥芯內流場中速度最大的區域不在特形孔處，而是在稍下方流場；

4） 閥體環繞閥芯的環形區域中氣體分別按順時針和逆時針方向流向最近的特形孔，并不是簡單的軸對稱2D流動。

數值仿真中獲得的流場數據不僅可以為發射閥流道的優化設計提供理論依據，同時還可為研究雷彈發射系統的振動與氣動噪聲研究提供參考。

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（責任編輯: 許妍）

Analysis on Flow Field in Launch Valve of Submarine′s Torpedo and Missile Launch System under Emergency Launch Condition

WANG Xian-ming，DUAN Hao，WANG Yun
（Kunming Branch of the 705 Research Institute，China Shipbuilding Corporation，Kunming 650118，China）

The purpose of launch valve in submarine′s torpedo and missile launch system is to control the flow and pressure of gas，so as to ensure the accuracy of launching process.In this paper，a mathematical model of flow field in the launch valve under emergency launch condition is established with commercial CFD software，and the model is simulated by means of the shear stress transmission（SST）k-ωmodel and dynamic mesh technique.Simulation results show detailed and intuitive distributions of transient pressure and transient velocity of the interior flow field at all stages.These results can provide a theoretical basis for optimization design of channels of the launch valve，and can also provide a reference for research of vibration and aerodynamic noise of the submarine launch system.

torpedo and missile launch system；launch valve；flow field simulation；dynamic mesh；emergency launch；aerodynamic noise

TJ635；O352

A

1673-1948（2016）03-0235-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.014

2016-01-07；

2016-01-30.

王賢明（1991-），男，在讀碩士，研究方向為水下發射技術.