筒口氣體射流下航形體出筒流場特性研究

陳飛宇，余文輝，趙世平，程 棟，袁緒龍

(1. 中國船舶重工集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州，450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州，450015；3. 西北工業大學，陜西 西安，710072)

0 引 言

筒口氣體射流降載技術主要是指在實施航行體水下發射時通過特定的裝置或方式在筒口附近產生一定壓力的工質氣體，這些氣體包裹在航形體和筒口裝置周圍，使其在一段時間內與水隔離[1–2]。航形體發射時，筒口氣體射流裝置噴射出工質氣體對航形體外部形成保護，不僅可以減小航形體所受橫向載荷，而且可以保證航形體具有較穩定的出筒姿態，氣體的存在還可以改變出筒時航形體頭部空泡的生成，從而緩解空泡潰滅時航形體的受載狀態，另外還可以減小筒口壓力場對筒蓋的沖擊[3]。

由于其工作環境介質是壓縮性可以忽略不計的重流體介質水，水下高溫燃氣射流及其與水流場的相互作用則成為筒口氣體射流保護技術的關鍵技術。氣體射流發生器產生燃氣的工作過程是一個多相瞬態流動與航形體運動耦合的復雜問題，燃氣與水之間不但發生傳熱、傳質、相變等復雜現象，而且存在著激烈的流體動力干擾和壓力場的傳遞。與此同時，燃氣射流引起繞航形體水流場中壓力等諸多物理量的脈動[4–5]。由于該過程涉及到多相瞬態流問題，很難用解析方法進行求解，多采用數值仿真方法，通過建立多相流模型模擬航行體出筒過程，并對水動力載荷和壓力場開展研究[6–7]。

本文采用CFD軟件Fluent中mixture多相流模型，建立航形體出筒過程流場計算模型，以燃氣、水為工作介質，通過內嵌UDF控制航形體運動的動網格技術，仿真計算從燃氣噴嘴開始工作到航形體完全出筒時刻水和燃氣多相流場形成及演變的非定常過程，監視預定義的航形體表面測點壓力，初步分析了航形體出筒過程氣體分布情況、水動力載荷和表面壓力分布規律。

1 仿真模型

1.1 多相流模型控制方程

1）混合物模型的連續方程

混合物模型的連續方程為：

這里是質量平均速度：

式中：為第k相的體積分數；描述了由于氣穴或用戶定義的質量源的質量傳遞。

2）混合物模型的動量方程

動量方程可以通過對所有相各自的動量的方程求和來獲得。可表示為：

3）第二相的體積分數方程

第二相的體積分數方程為：

1.2 計算域與網格劃分

對研究對象采用縮比尺寸建模，計算域形狀與邊界條件如圖1所示。計算域的遠場均設為壓力邊界，垂向的壓力邊界壓力按實際情況指定，即水面以下按照重力梯度設置壓力。發射筒底設置壓力入口，筒壁和航形體表面設定為無滑移的固壁邊界，筒口平臺設置為壁面，平臺以上的柱形區域的左側外邊界設置為壓力入口，右側外邊界設置為壓力出口。

選用圖1所用的計算域進行網格劃分，使用滑移接口實現航形體體及周圍網格的運動，動網格區域頂端和低端采用Layer方法實現網格的生長和消失，其網格的生成和消亡位置均采用六面體規則網格，既有利于網格的更新又能改善數值解的精度。航形體頭部由于為非規則外形，至少一個面無法采用map或submap劃分，因此采用Cooper創建網格。整場網格足夠細密，使計算結果不存在網格依賴性。

為獲得較為準確的計算結果，使用漸變網格劃分方式。將靠近航形體位置網格細密，遠場較為稀疏。采用三維軸對稱處理，節省計算資源。按照以上要求劃分網格，計算域的網格劃分如圖2所示，燃氣噴嘴網格區域放大如圖3所示。

1.3 動網格控制技術

由于航形體在計算過程中為運動狀態，航形體的運動會引起流場網格的變化，所以運用了動網格技術，在計算過程中，首先根據當前時刻流場的各個參數，計算出下個時間步長作用下的位移，然后將這些參數賦予運動邊界，更新計算區域內部的網格，得到新時刻的流場計算，從而實現整個發射過程中流場的非定常數值模擬。在本研究中，航形體運動的整個通道需要不斷更新網格，所以將航形體運動通道設置為變形區域，而通道外側部分設置為固定區域。根據動網格的需要，編寫了UDF（自定義函數）來實現航形體的運動。UDF文件包括主要內容為：航形體運動控制、流體網格運動控制、并行計算控制、重力梯度壓力入口邊界指定等。動網格區域設置如圖4所示。

1.4 計算模型選擇

由于本文中涉及流體動網格，并且使用了滑移速度，求解中使用到混合相的連續性方程，混合的動量方程，氣液兩相流選用Mixture模型更能夠模擬包含燃氣的航形體發射流場。同時氣體射流引起的壓力場屬于高Re數、湍流問題，湍流模型選用k-ε模型。

2 仿真結果分析

在Fluent計算時運用了自編的UDF函數和動網格技術使模型更加完善。建立壓力測點布局方案，航形體表面分布16圈壓力測點，每圈均勻布置8個監測點（見圖5），計算分析了航形體各截面載荷變化規律。

2.1 航形體出筒流場特性

發射前，燃氣噴嘴首先噴氣0.4 s，形成燃氣泡，然后航形體開始按照試驗測得的軸向運動規律開始運動。筒口氣體演化過程如圖6所示。可見，噴嘴在發射筒方案形成燃氣泡，氣泡一邊膨脹一邊在橫向流作用下向下游漂移，多噴嘴噴出的燃氣泡逐漸融合。

2.2 無氣體射流出筒載荷特性

2.2.1 航形體軸向壓力分布規律

圖7展示的是無氣體射流出筒條件下t=0.4 s時的壓力分布云圖。從云圖中可以看出，航形體完全出筒時，在橫流作用下表現為航行體攻角的非對稱壓力分布，迎流面壓力高于背流面。

圖8給出了無氣體射流時航形體迎流面與背流面壓力軸向分布規律，可見在頭部迎流面壓力顯著高于背流面，而在圓柱段壓差較小，因此可以推斷：橫流作用下，法向力和對應的水動力矩主要由頭部產生。

2.2.2 航形體周向壓力分布規律

航形體完全出筒時，距離前端面不同位置處監測點的壓力周向分布規律如圖9和圖10所示。從圖中可以看出，頭部測點迎、背流壓差較大，周向壓力分布近似余弦分布規律，而圓柱段上的迎背流壓差較小，分布規律逐漸偏離余弦分布規律。

2.3 氣體射流降載效果研究

通過對2種工況下航形體受到的法向力和彎矩進行對比，可以看出，在0.52～0.65 s之間，氣體射流引起了法向力和彎矩的顯著降低，在0.65～0.68 s之間又有所上升。結合氣體射流形態分析可知，在該段時間內射流氣體幾乎融為一體，完全包裹了航形體出筒部分，降低了迎背流壓差，而在0.65～0.68 s之間航形體頭部離開氣泡區，降載效果減弱。此外，在氣體噴射初期，出筒載荷有波動，主要考慮形成穩定氣體通道區需要一個過程，可能會加劇航形體載荷。

2.4 試驗與仿真對比

根據筒口氣體射流降載技術試驗，得到不同時刻的氣體分布圖，將其與不同時刻下的仿真氣相圖（氣相比取0.1）進行對比（見圖12）。可以看出仿真得到的氣相分布與試驗錄像達到較高的吻合度，可以證明仿真的結果可信度。此外，通過仿真與試驗數據進行比對，二者曲線變化趨勢基本一致，也進一步驗證仿真方法的有效性，如圖13所示。

3 結 語

本文基于Fluent多相流模型，采用UDF控制航形體運動的動網格技術，模擬了筒口氣體射流下航形體發射過程的流場特性，獲得了全沾濕和氣體射流2種工況下的氣體演化規律，計算出了航行體表面的載荷分布特性，并對氣體射流的降載效果進行了分析，最后基于試驗數據對仿真方法的有效性進行了驗證。得到以下結論：

1）通過對航行體氣體射流發射的仿真研究發現，出筒過程中射流氣體覆蓋了航形體頭部和部分圓柱段，并逐漸形成了一個氣體通道，顯著降低了航形體出筒載荷，有效改善航行體的發射環境。

2）從載荷曲線圖可以看出，氣體從開始噴射到形成穩定氣體通道需要一個過程，此時航形體迎、背流面壓差較大，會加劇航行體出筒載荷，為了消除此階段的影響，可以考慮采用提前噴射氣體的方案。

3）仿真得到的射流氣體分布規律、載荷變化趨勢與試驗結果達到較高的一致性，可以驗證仿真方法的有效性，為航形體氣體射流降載的研究提供技術手段。

本文的建模方法和仿真結果對航行體出筒降載研究，具有一定的工程參考價值，也為航形體發射具備良好的彈道環境提供技術支撐。

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