魚雷斜入水忽撲現(xiàn)象數(shù)值仿真

張岳青, 蔡衛(wèi)軍, 李建辰, 王志杰, 龐 多

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魚雷斜入水忽撲現(xiàn)象數(shù)值仿真

張岳青, 蔡衛(wèi)軍, 李建辰, 王志杰, 龐 多

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對目前魚雷入水初始彈道計算不準確的問題, 對魚雷入水過程中涉及的機理性問題進行了分析。基于無網(wǎng)格的優(yōu)勢, 采用有限元法(FEM)/光滑質(zhì)點動力學(SPH)耦合方法, 對魚雷斜入水大姿態(tài)運動過程進行了仿真。通過試驗數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的正確性, 并分析了魚雷斜入水過程的忽撲現(xiàn)象。計算了不同工況下低壓力的數(shù)值, 并通過理論公式進行了驗證。研究結(jié)果表明, 魚雷斜入水后雷頭下部易產(chǎn)生低壓效應, 造成大姿態(tài)的低頭運動。造成忽撲現(xiàn)象的低壓力受入水攻角的影響較大, 負攻角工況低壓力數(shù)值比正攻角大, 且持續(xù)作用時間長。所以需要充分考慮低壓力的影響, 才能更準確的對魚雷入水彈道問題進行分析和設計。

魚雷; 入水; 忽撲現(xiàn)象; 有限元法; 光滑質(zhì)點動力學(SPH); 耦合方法

0 引言

輕型魚雷反潛會經(jīng)歷一個復雜的入水過程, 其中雷體的運動、水的運動、空泡內(nèi)的氣體3種介質(zhì)的運動具有強烈的非定常性, 尤其是斜入水過程中會產(chǎn)生忽撲現(xiàn)象, 對魚雷入水運動姿態(tài)有重要影響, 甚至會造成魚雷入水后發(fā)生翻轉(zhuǎn)和冒水, 直接影響魚雷的戰(zhàn)術(shù)性能和作戰(zhàn)使用效果。

忽撲現(xiàn)象是魚雷在斜入水過程中俯仰角速度的階躍變化量, 在整個魚雷完全進入水中之前, 忽撲現(xiàn)象對魚雷入水彈道有著重要的影響[1]。其形成機理是斜入水時雷頭下部會產(chǎn)生一個細長的空泡, 高速侵水過程中, 空泡內(nèi)的壓力低于大氣壓力, 形成低壓力, 造成魚雷入水時所受力矩不平衡, 從而造成魚雷入水后姿態(tài)發(fā)生較大變化(見圖1)。

由于忽撲現(xiàn)象的復雜性, 目前在理論上還無法圓滿解決。國外針對忽撲現(xiàn)象研究主要是以試驗方法為主, 國內(nèi)很少有專門針對忽撲問題的研究, 目前僅見王永虎[2]在研究空投雷彈的入水初始彈道時考慮了忽撲的影響。

國內(nèi)研究者主要針對不同航行器入水彈道展開研究。嚴忠漢[3]對魚雷三自由度縱向姿態(tài)運動進行了分析, 得出了入水魚雷帶空泡航行保持姿態(tài)運動穩(wěn)定的條件。顏開等[4]采用Mackey方法,分析了魚雷流體動力變化特性。陳九錫[5]針對細長體試驗模型對布置加速度計位置的限制進行了分析, 提出降低數(shù)據(jù)處理方程的條件數(shù)。徐杏欽[6]建立空泡段彈道數(shù)學模型, 對復雜入水條件下的魚雷空泡段彈道進行了仿真。潘光等[7]研究了高空遠程滑翔魚雷的全彈道, 分析了各階段彈道的主要特點。程文鑫等[8]采用多相流混合模型及動網(wǎng)格方法, 分析了魚雷在小入水角條件下的入水彈道。朱珠等[9]基于計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)獲得了柱體大攻角入水過程流體動力特性, 分析了入水攻角和速度對入水彈道的影響規(guī)律。李永利等[10]采用CFD研究跨介質(zhì)航行器小角度入水的跳彈現(xiàn)象, 分析了跳彈過程的運動規(guī)律。李佳川等[11]分析了高速射彈在不同擾動角速度下的運動規(guī)律。

目前, 對于忽撲的機理認識還不清晰, 具體影響因素還不夠明確, 尤其是缺少定量的研究分析結(jié)果。如果不考慮忽撲機理的影響, 入水彈道的計算結(jié)果往往是不夠準確的。

1 魚雷入水仿真模型

鑒于魚雷入水特點, 魚雷變形很小, 采用有限單元法(finite element method, FEM)網(wǎng)格, 運用剛體模型實現(xiàn)魚雷質(zhì)心、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、入水角度和速度的仿真, 完成魚雷多自由度運動分析; 水變形較大, 采用光滑質(zhì)點動力學方法(smooth- ed particle hydrodynamics, SPH)粒子進行仿真, 運用NULL材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程實現(xiàn)對水的材料屬性模擬; 為了實現(xiàn)網(wǎng)格和粒子的相互作用, 在接觸界面處需要計算相互作用力

在整個計算域采用施加體力的方式實現(xiàn)重力場的模擬, 仿真模型和坐標如圖2所示[12]。

魚雷入水參數(shù)范圍假定如下: 入水俯仰角度為10o~20o,方向(水平)入水速度為15~25 m/s,方向(垂直)入水速度為-5~-10 m/s, 入水初始俯仰角速度為-10~-20o/s。

由于魚雷入水后相互作用而產(chǎn)生低壓效應, 此效應最終是通過低壓力作用于雷體上, 所以為了仿真模型更準確, 將此低壓力耦合到魚雷與水的界面接觸力式(1)中計算, 對魚雷入水過程進行仿真分析。

2 魚雷入水過程仿真分析

基于仿真模型和試驗條件, 選取其中的典型工況, 對仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進行了對比分析。

2.1 俯仰角速度和俯仰角

由圖3和圖4的仿真值和試驗值變化曲線可以看出, 在入水沖擊力所產(chǎn)生的力矩作用下, 俯仰角速度先向負方向減小。0.015 s后, 在低壓力所產(chǎn)生力矩的作用下, 俯仰角速度迅速負方向增大, 直至0.15 s后俯仰角速度停止增大, 并維持較大的數(shù)值, 持續(xù)了約0.25 s, 0.4 s時, 俯仰角速度迅速減小。整個過程中俯仰角處于負方向增大狀態(tài), 說明魚雷入水后一直處于低頭的運動趨勢。仿真曲線與試驗曲線最大值和變化趨勢比較一致。

2.2 入水沖擊加速度

對比分析魚雷入水沖擊加速度仿真曲線和試驗曲線(圖5和圖6)可知, 由于受到水的沖擊作用,方向加速度在負方向迅速增大, 作用時間較短, 約0.02 s時達到最大值, 隨后方向加速度值逐漸減小。但是方向加速度曲線變化趨勢與方向差異較大, 魚雷入水時首先受到?jīng)_擊力的作用迅速正向增大, 約0.005 s時增大到最大值, 但是在較強低壓力的作用下, 隨后迅速減小到零, 并負向增大, 約0.02 s時增大到最大值。之后隨著入水阻力的增大, 加速度數(shù)值逐漸減小。整個入水過程中仿真加速度曲線與試驗曲線變化趨勢一致。

綜上所述, 俯仰角速度和加速度的仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)比較一致, 說明仿真模型的正確性, 能準確反映試驗中魚雷真實的入水過程。

如果在仿真模型中, 不考慮低壓效應的影響, 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果差異較大。魚雷入水后俯仰角速度是正向增大的, 說明魚雷入水后是“抬頭”的趨勢, 與試驗中魚雷的入水過程是相反的(見圖7)。方向加速度仿真值與試驗值差別也較大(見圖8), 尤其是在剛?cè)胨畷r刻, 加速度正向增大, 并緩慢減小, 未出現(xiàn)負值, 說明魚雷入水后負方向沒有其他的力產(chǎn)生, 致使魚雷出現(xiàn)抬頭運動的趨勢。通過與試驗數(shù)據(jù)的對比分析, 魚雷在傾斜入水過程中, 低壓力的作用確實是存在的, 而且對入水彈道的影響比較大。

3 低壓力計算

由于魚雷入水過程極其復雜, 入水時的低壓力對入水彈道有重要影響, 要準確計算低壓力的數(shù)值和變化趨勢難度較大。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和仿真方法, 基于仿真模型通過解耦的方式對不同工況下魚雷入水過程進行仿真, 以計算真實的低壓力。在魚雷入水諸多影響因素中, 入水攻角對魚雷入水運動姿態(tài)影響較大。因為攻角的不同會造成魚雷入水后頭部下方的空泡形狀和持續(xù)時間不同, 致使低壓力的大小和作用時間不同。所以, 根據(jù)不同的入水攻角來區(qū)別不同的入水工況, 其中入水攻角參數(shù)見表1。

在考慮低壓力作用下, 對不同攻角的工況下魚雷入水過程進行了數(shù)值仿真。入水過程中的俯仰角速度曲線的最大值和變化趨勢與試驗值比較接近(見圖9)。不同入水攻角下, 魚雷入水俯仰角速度差異明顯, 隨著攻角的減小, 俯仰角速度逐漸增大。力與運動是一致的, 俯仰角速度從魚雷剛?cè)胨畷r就產(chǎn)生較大的差異, 這是由于魚雷入水過程中低壓力不同造成的。圖10為不同攻角下魚雷入水過程中低壓力的仿真數(shù)值, 負攻角工況的低壓力最大值約為5 kN, 持續(xù)時間約為0.25 s, 正攻角工況低壓力最大值4.3 kN, 隨后逐漸減小,與負攻角工況差異明顯。由于負攻角工況的低壓力數(shù)值較大, 且持續(xù)時間較長, 造成俯仰角角速度一直增大, 致使魚雷入水后一直處于低頭運動趨勢。

表1 魚雷入水參數(shù)

4 低壓力校核

為了進一步校核數(shù)值仿真低壓力的正確性,通過魚雷入水過程的空間運動方程組和試驗中的彈道數(shù)據(jù), 推導得到了魚雷入水過程的低壓力。其中, 魚雷運動方程組的適用性[13]: 1) 流體動力滿足線性假設; 2) 魚雷外形是平面對稱的; 3) 忽略魚雷的慣性積項; 4) 忽略魚雷在航行過程的質(zhì)量變化。則

圖11為由魚雷入水過程空間運動方程組和試驗彈道數(shù)據(jù)推導所得的低壓力曲線。力矩增大, 順時針方向旋轉(zhuǎn)明顯, 魚雷尾部碰到空泡的上壁面, 發(fā)生尾擊現(xiàn)象, 并產(chǎn)生較大的尾擊力。由于此尾擊力難以準確計算, 在理論推導過程中沒有去除, 所以在推導的低壓力數(shù)值中, 后期有明顯的波動。由于尾擊力是瞬時力, 且出現(xiàn)在魚雷入水后期, 而低壓力的作用時間在魚雷入水0.2 s前, 所以對低壓力的推導并沒有影響, 不同工況下, 理論推導得到的低壓力曲線與數(shù)值仿真的低壓力曲線數(shù)值比較接近, 變化趨勢趨于一致, 說明數(shù)值仿真低壓力數(shù)值的正確性。理論推導的低壓力數(shù)值在0.2~0.3 s時有較明顯突變。以工況3為例, 結(jié)合魚雷入水過程可知(見圖12), 0.15 s時魚雷質(zhì)心剛沒入水中, 魚雷與空泡的下壁面始終接觸, 但當0.2 s時, 魚雷受到俯仰只是在低壓力的數(shù)值中有所體現(xiàn)。

5 結(jié)束語

文中對魚雷入水過程中的忽撲現(xiàn)象進行了分析, 揭示了低壓效應對魚雷入水運動姿態(tài)的重要影響, 并結(jié)合試驗數(shù)據(jù), 計算了不同入水攻角情況下引起忽撲現(xiàn)象的低壓力數(shù)值, 對于準確預測魚雷入水初始彈道具有重要意義。魚雷傾斜入水時, 低壓效應對魚雷法向載荷影響較大。從雷頭入水后, 低壓效應就開始起作用, 并在低壓力的作用下, 造成入水俯仰角速度負向增大, 入水后魚雷入水姿態(tài)呈現(xiàn)低頭趨勢。入水攻角對魚雷入水時低壓力的影響明顯。負攻角工況的低壓力最大值約為5 kN, 持續(xù)時間約為0.25 s, 正攻角工況低壓力最大值4.3 kN, 隨后逐漸減小, 與負攻角工況差異明顯。分析結(jié)果可為魚雷入水彈道準確計算提供分析依據(jù), 同時為魚雷彈道設計和結(jié)構(gòu)承載能力設計提供技術(shù)支撐。由于目前對于低壓力還沒有有效的公式進行描述, 后續(xù)需要結(jié)合魚雷衡重參數(shù)和入水條件的分析對低壓力進行進一步的研究。

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(責任編輯: 楊力軍)

Simulation on Whip Phenomenon of Torpedo during Oblique Water Entry

ZHANG Yue-qing, CAI Wei-jun, LI Jian-chen, WANG Zhi-jie, PANG Duo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

To solve the problem of inaccurate calculation of torpedo’s initial trajectory, the water entry mechanism of a torpedo is analyzed. Based on the advantage of meshless method, finite element method(FEM)/smoothed particle hydrodynamics(SPH) coupling method is used to simulate torpedo’s large attitude motion process during oblique water entry. The correctness of the simulation model is verified by the experimental data. The whip phenomenon of torpedo during oblique water entry is analyzed, and the values of low pressure under different conditions are calculated and verified by theoretical formula. Results show that when a torpedo is entering into water, the area part under the torpedo head is trend to produce low-pressure effect, resulting in large-attitude downward motion and the whip. The low pressure causing the whip phenomenon is significantly affected by the angle of attack. The low-pressure value is larger and the duration of action is longer in the negative attack angle condition, compared with those in the positive attack angle condition. Therefore, in order to more accurately analyze and design the torpedo trajectory during water entry, the effect of the low pressure is necessary to be considered.

torpedo; water entry; whip phenomenon; finite element method(FEM); smoothed particle hydrodynamics(SPH); coupling method

TJ630.1; TB71.2

A

2096-3920(2018)02-0146-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.008

張岳青, 蔡衛(wèi)軍, 李建辰, 等. 魚雷斜入水忽撲現(xiàn)象數(shù)值仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(2): 146-151.

2017-09-04;

2017-11-06.

張岳青(1984-), 男, 博士, 高工，主要研究方向為沖擊動力學及流固耦合.