應急發射時不同發射閥芯結構內流場對比分析

陳煒彬，　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）

應急發射時不同發射閥芯結構內流場對比分析

陳煒彬，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）

程控閥能否在應急條件下完成發射任務是保證戰時魚雷發射成功與否的關鍵。為探究閥芯在應急條件下能否保證較好的發射品質， 文中運用 FLUENT對 3種閥芯結構的內流場進行了有限元仿真， 分析得出了雙梯形-雙矩形閥芯結構能夠有效減少能量在通過閥芯時的損耗， 從而可以有效提升發射品質， 可為進一步優化發射過程能量的瞬態注入與控制， 進而降低發射過程的瞬態噪聲提供參考。

魚雷； 程控閥； 應急發射； 內流場

0　引言

程控閥作為一種與集散控制系統（distributed control system， DCS）或可編程邏輯控制器（programmable logic controller， PLC）相連， 通過程序實現對液路或氣路開啟面積的精確控制閥，已被廣泛的運用于各行各業。

在渦輪泵發射裝置中［1］， 程控閥被用來控制進入渦輪的氣量， 從而實現對武器內彈道準確控制， 保證武器正常發射。在正常作戰條件下， 程控閥能夠在程序的有效控制下工作， 但在戰時可能會出現無法供電的情況， 此時為實現武器發射，閥芯只能按固定的速度勻速開啟， 這時不同的閥芯結構將直接影響到閥芯開啟面積的變化規律。張孝芳［2-3］運用 FLUENT對一種機械發射閥進行了內流場仿真， 得到了閥內部流場規律， 并通過對比解析結果驗證了其仿真的正確性。文中針對應急發射這一工況， 用FLUENT分別對3種閥芯結構開啟過程進行動態內流場仿真分析， 對比分析得到了一種較優的閥芯結構。

1　模型的建立

1.1發射閥芯結構

發射閥芯結構如圖 1所示。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的發射。文中選用 3種不同閥芯結構進行對比分析。不同閥芯結構如圖2所示。3種閥芯結構的發射閥開啟面積變化規律如圖3所示。

圖1　發射閥閥芯結構圖Fig. 1　Structure of launching valve core

圖2　不同閥芯結構Fig. 2　Structures of different valve cores

圖3　不同閥芯開啟面積變化規律Fig. 3　Curves of open area versus time for different valve cores

1.2網格劃分和動網格

數值仿真過程中網格劃分是最重要的一步，它是保證仿真能夠精確進行并得到準確結果的前提。模擬程控閥在工作過程的各項指標和內流場分布情況， 必須使用動網格技術［4-10］。通過動網格可以模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題。邊界的運動形式可是預先定義的運動（可在計算前指定其速度或角速度）， 也可以是預先未作定義的運動（邊界的運動要由前一步的計算結果決定）。網格的更新過程由FLUENT根據每個迭代步中邊界的變化情況完成。

鑒于使用自動四面體網格進行劃分將使網格無法兼顧精度和數量， 如果按閥芯的尺寸來劃分將造成網格數量太多， 按閥體的尺寸來劃分， 在閥芯這個重點研究的區域就無法得到精細的網格，同時網格的質量也無法保證， 最重要的是， 如果采用四面體網格， 計算過程中網格的更新方法只能是占用更多計算資源的彈性光順法或網格重構法， 所以為了兼顧網格質量和數量， 同時可以使用占用計算資源少的鋪層法， 結合幾何形狀較為規整的特點， 選用全六面體網格劃分方式對閥的內流道進行網格劃分。

在進行FLUENT建模時， 如圖選取足夠長度的管道和整個閥體內部流道作為數值仿真的計算域。并利用ANSYS自帶的ICEM對模型進行六面體網格的劃分， 劃分好的網格模型如圖4所示。

圖4　發射閥內流場模型及網格劃分Fig. 4　Internal flow field model of launching valve and meshing

1.3邊界條件及求解器設置

在實際工作過程中， 氣瓶中的氣體壓力高，但通過發射閥時有一個較大的壓降， 在這個過程中氣體膨脹， 故使用可壓流體進行計算。采用基于密度的求解器， 選用理想氣體模型， 可以較為真實地模擬閥的開啟過程中氣體在閥芯內的流動。發射閥開啟后， 發射氣瓶內的壓力隨氣體的流失而下降， 故將數學模型計算求得的氣瓶出口壓力作為入口邊界條件， 出口邊界條件設置為數學模型計算求得的渦輪機進口壓力， 其余的面設置為壁面邊界條件。

仿真時間設置為0.86 s， 時間步長設置為0.001 s，同時可以設置相關的一些動畫， 以便在仿真過程中實時地觀察流場的變化情況。仿真開始時對入口進行必要的初始化處理。

2　仿真結果及分析

為了分析不同閥芯的內流場在發射過程中的特性， 截取幾個不同時刻的速度和壓力場分布云圖進行對比分析。在圖 4中， 通過閥芯中軸線且平行紙面的面為云圖截面。

2.1仿真結果

1） 圖 5、圖 6分別展示了不同閥芯結構在t=0.225 s時內流場的壓力和速度分布云圖。

圖5　不同閥芯結構壓力場分布（t=0.225 s）Fig. 5　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.225 s）

圖6　不同閥芯結構速度場分布（t=0.225 s）Fig. 6　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.225 s）

從圖5可以看出， 截止0.225 s， 3種閥芯的開度由大到小依次為: 矩形、雙梯形-雙矩形、梯形-矩形。由于矩形閥芯結構開度最大， 低壓區同高壓區的連通面積大， 單位時間內更多的高壓氣體進入閥芯， 造成矩形閥芯內部流場壓力大且分布范圍廣， 最高壓力達到 10 MPa； 雙梯形-雙矩形閥芯結構雖然開始時閥芯開口與矩形結構一樣，但是隨后由于進入第1個梯形區開度增長變緩， 其高壓區面積與最大壓力都略小于矩形閥芯， 最高壓力僅為8 MPa； 此時， 梯形-矩形結構閥芯開口面積在3種閥芯中最小， 壓力大小以及高壓區面積也都是最小。

從圖 6可以看出， 此刻， 閥芯內部氣體流速最大的是開度最小的梯形-矩形閥芯， 速度可達650 m/s， 而開度最大的矩形閥芯的流速相對要小一些， 大概在600 m/s。從壓力場的分析可以看出，閥芯內部壓力最高的是矩形閥芯， 這就造成了較小的壓力差， 氣體從閥芯外流到閥芯內所獲得的動能相對較小， 所以流速較低。同時流速最大處是在 2個進口形成的渦的中心， 這是由于氣體在這里堆積， 由于流體的擠壓效應， 在閥芯中部形成高速區。

2） 圖 7、圖 8分別展示了不同閥芯結構在t=0.4 s時內流場的壓力和速度分布云圖。

圖7　不同閥芯結構壓力場分布（t=0.4 s）Fig. 7　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.4 s）

圖8　不同閥芯結構速度場分布（t=0.4 s）Fig. 8　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.4 s）

從圖 7可以看出， 此刻， 閥芯開度由大到小依次為: 矩形、梯形-矩形、雙梯形-雙矩形。可以看到前2種閥芯的進氣壓力已出現明顯下降， 同時這也使閥芯內部的壓力梯度變大。而雙梯形-雙矩形閥芯由于開度增長慢， 氣瓶壓力損耗較小，入口壓力變化不大， 從而使得閥芯內部的壓力梯度分布較為均勻。

從圖8可以看出， 在t=0.4 s時刻， 內流場速度保持最好的是雙梯形-雙矩形閥芯， 因為其開度增長較慢， 通過壓力云圖可以看出其壓力保持較好， 使得速度變化較小。而其他 2種閥芯的速度都有明顯的下降。

3） 圖 9、圖 10分別展示了不同閥芯結構在t=0.8 s時內流場的壓力和速度分布云圖。

圖9　不同閥芯結構壓力場分布（t=0.8 s）Fig. 9　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.8 s）

圖10　不同閥芯結構速度場分布（t=0.8 s）Fig. 10　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.8 s）

從圖9可以看出， 相較于矩形結構和梯形-矩形結構， 雙梯形-雙矩形閥芯內流道壓力分布相對均勻， 壓力波動較小， 同一壓力區域連成一片，且其閥芯內流場的壓力略高。

從圖 10可以看出， 矩形結構發射閥閥芯內流速最大， 且局部高流速分布區域較大。相較于矩形結構和梯形-矩形結構， 雙梯形-雙矩形閥芯內最高流速有了明顯下降， 局部最高流速下降了50 m/s， 并且局部高流速區域明顯減小。

2.2結果分析

通過上述對不同時刻閥芯內部流場壓力和速度的分析， 發現整個發射過程中閥芯開度的大小對于閥芯內壓力和速度場分布影響較大。

對比3種閥芯的內流場變化， 可以看到雙梯形-雙矩形閥芯在開始階段具有與矩形閥芯相同的開度， 保證閥芯內部壓力和進氣量的迅速增大，同時在 0.2 s左右進入梯形區域， 開度增長變緩，減緩氣流流量的增長， 使得氣瓶內的氣壓相對平穩下降， 同時在閥芯內形成一個較為穩定的壓力和速度場。這個過程保證了進入渦輪氣量的穩定，同時減少了氣體在大壓力梯度流動過程中產生一些不必要的渦， 減少了能量的損耗， 保證了和矩形閥芯具有相當能量的輸出。

經過以上對比分析可知， 雙梯形-雙矩形閥芯結構在穩定流動時減小了閥體內的流速， 使閥芯內壓力分布均勻， 減小了高湍流動能區域， 降低了系統能量損耗。這個特性對降低發射噪聲的意義是重大的， 由于能量利用率較高， 相同的能量輸出量下需要的氣體較少； 同時較為平穩的氣體進入渦輪機就意味著較為平穩的排氣， 這樣有利于降低渦輪的排氣噪聲， 提高魚雷發射時潛艇的隱蔽性。

用新型的雙梯形-雙矩形閥芯， 在原有發射閥上進行集成替換。采用假海試驗站的試驗設施，進行了實發試驗。圖11與圖12是對2種發射閥芯武器速度與不同氣瓶初始壓力武器速度進行無量綱化處理后的趨勢變化示意圖。如圖 11所示，在相同的初始氣瓶壓力下， 原閥芯和雙梯形-雙矩形閥芯最后的出管速度都是相近的（為控制射流輻射噪聲［11］， 通常出管速度略大于最低出管速度）， 同時可以看到新型閥芯的速度略大于原閥芯， 從閥芯開口面積可得， 新型閥芯的用氣量低于原閥芯。綜上所述， 雙梯形-雙矩形閥芯能有效降低流道損失， 在減少用氣量的同時保證正常發射。而通過圖12可知， 在不同的初始氣瓶壓力下，發射速度曲線在很小的范圍內波動， 能保證武器的安全出管， 證明了雙梯形-雙矩形閥芯在應急發射條件下具有較好的魯棒性， 能夠適應發射氣瓶壓力在一定范圍內波動的應急發射條件。

圖11　2種發射閥芯武器速度變化趨勢Fig. 11　Speed changing trend of two kinds of valve cores

圖12　不同氣瓶初始壓力武器速度變化趨勢Fig. 12　Speed changing trend at different initial pressure in gas cylinder

3　結束語

文中通過FLUENT對應急發射狀態下， 3種發射閥閥芯的內流場分別進行了數值仿真。通過對不同閥芯的流場特性的分析， 得出了一個具有較優流道特性的發射閥芯， 并通過試驗驗證了新型閥芯可以有效地減少能量在注入和轉化過程的損耗， 進而有效降低發射過程的瞬態噪聲。文中研究成果對于進一步研究優化發射過程能量的瞬態注入與控制， 進而降低發射過程的瞬態噪聲具有重要意義。

［1］ 段浩， 李經源. 魚雷發射技術［M］. 北京: 國防工業出版社， 2015.

［2］ 張孝芳， 王樹宗. 潛艇武器發射系統發射控制閥三維流場數值仿真［J］. 艦船科學技術， 2010， 32（5）: 125-127. Zhang Xiao-fang， Wang Shu-zong. NumericalAnalysis of 3 Dimensional Flow Field of Submarine Weapon Launch Control Valve［J］. Ship Science and Technology， 2010，32（5）: 125-127.

［3］ 張孝芳， 王樹宗. 基于 Fluent/Simulink的水下發射系統發射閥流場數值模擬［J］. 魚雷技術， 2010， 18（5）: 389-392. Zhang Xiao-fang， Wang Shu-zong. Numerical Simulation of Flow Field in Firing Valve for Underwater Launch System Based on Fluent/Simulink［J］. Torpedo Technology，2010， 18（5）: 389-392.

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（責任編輯: 許妍）

Analysis on Internal Flow Fields in Different Launch Valve Core Structures in Emergent Launching Condition

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

A program-controlled valve， which can complete launch mission in emergent condition， is vital to ensure successful launching of a torpedo in war. To explore whether the valve core can keep good launching quality in emergent conditions， the finite element simulation software FLUENT is employed to simulate the internal flow fields in three kinds of valve core structures. Contrast analysis show that the double trapezoidal-double rectangular valve core structure can effectively reduce the loss during energy going through the valve core， hence enhance launching quality. This research may provide a reference for further optimization of transient energy injection and control as well as reduction of transient noise during launching process.

torpedo； program-control valve； emergency launching； internal flow field

TJ635； TH134

A

1673-1948（2016）05-0390-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.014

2016-06-07；

2016-07-07.

陳煒彬（1991-）， 男， 在讀碩士， 主要從事魚雷發射技術研究.