筒口氣體噴射對水下航行器降載影響研究

程 棟, 陳飛宇,2, 盧丙舉,2, 秦麗萍,2

筒口氣體噴射對水下航行器降載影響研究

程 棟1, 陳飛宇1,2, 盧丙舉1,2, 秦麗萍1,2

(1. 中國船舶重工集團公司 第713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)

通過在筒口噴射燃氣射流形成穩定氣幕, 可降低水下航行器發射出筒載荷, 提供良好的彈道環境。文中針對筒口燃氣射流流量及提前噴射對航行器出筒載荷的影響, 建立了非定常多相流場模型, 分析了筒口氣體射流分布規律、航行器表面壓力和彎矩載荷, 對比分析了不同噴射流量、噴嘴位置及提前噴射下的出筒降載效果。結果表明, 噴射燃氣形成的氣幕能夠有效降低航行器出筒載荷, 增大燃氣噴射流量、均衡布置噴嘴位置以及提前噴射等措施有益于提升降載效果。

水下航行器; 氣幕; 噴射流量; 非定常多相流

0 引言

水下航行器在垂直發射過程中, 橫向海流載荷與筒口壓力場作用會對其結構強度及出筒姿態產生重要影響。當航行器發射出筒時, 采取氣體射流技術, 在筒口附近布置一定數量的燃氣噴嘴, 通過噴射氣體形成氣幕, 可改善航行器出筒時的受力狀態和姿態, 降低筒口壓力場載荷[1-2]。

陳飛宇等[3]采用多相流混合模型, 通過試驗驗證了水下垂直非定常多相流場計算方法, 初步分析了航行器出筒過程氣體分布情況、水動力載荷和表面壓力分布規律, 對比分析了筒口氣體射流降載效果。朱衛兵等[4]采用多相流模型對水下高速氣體射流的流場進行了數值仿真, 得到了高速氣體射流初期氣泡的變化過程, 初步證明了氣泡頸縮產生斷裂的原因是氣泡內外的壓力差。劉海軍等[5]研究了單孔情況下氣幕的形態、長度和夾斷點距離隨馬赫數的變化規律以及噴管幾何尺寸對氣幕最小直徑的影響。曹偉等[6]采用數值仿真的方法, 研究了不同射流速度情況下航行器水下垂直發射過程中氣幕形態、航行器表面壓力及阻力特性等的變化規律, 得出氣體射流速度不同時, 氣體射流馬赫數越大, 航行器總阻力系數越大。程棟等[7]研究了水下發射筒口氣幕邊界上下計算方法, 通過理論推導及試驗驗證了計算方法的正確性。尚書聰等[8-9]通過數值仿真研究了筒口氣幕環境下導彈的出筒姿態以及導彈出筒的受力情況, 通過與無氣幕環境相比航行器阻力減少了近一半。傅德彬等[10-11]在數值仿真中采用 Mixture 混合多相流模型及動網格方法對水下氣密熱發射進行了研究, 有效仿真了水下熱發射的多相流耦合問題, 研究了噴口處的壓力峰值及壓力梯度變化。藺曉建[12]通過試驗和數值仿真相結合的方法對有無橫流作用下同心筒發射水下氣幕的形成規律、氣幕特性及航行器的運動進行研究, 結合試驗和數值計算說明氣幕發射的優越性。

與以往學者研究同心筒氣幕發射技術有所不同, 文中采用在筒口附近布置燃氣噴嘴噴射燃氣的方案, 在筒口形成氣體通道以改善航行器在發射過程中的出筒載荷環境。文中基于Mixture模型, 湍流模型選用RNG模型, 仿真通過用戶自定義函數(user defined function, UDF)控制航行器自發射至離筒的三維非定常運動。提取流場剖面液相分布圖、航行器表面壓力分布隨時間的變化數據和航行器危險截面水動力載荷數據, 獲得氣體噴射流量與提前噴射對航行器出筒載荷的影響規律, 為航行器水下發射降載提供技術支撐。

1 數學模型

航行器運動涉及流體動網格技術, 同時使用滑移速度, 求解中使用到混合相的連續性方程, 混合的動量方程, 選用Mixture多相流模型, 湍流模型選用模型。

連續方程

動量方程

第2相的體積分數方程為

2 仿真模型

2.1 流場模型和邊界設置

計算域形狀與邊界條件如圖1所示。計算域遠場設為固壁邊界, 壓力為當地水靜壓。發射筒底設為壓力入口, 筒壁和航行器表面設為無滑移的固壁邊界, 柱形區域的左側外邊界設為壓力入口, 右側外邊界設為壓力出口。考慮重力效應, 入口邊界壓力設為梯度分布, 設置橫向流速模擬發射平臺運動, 噴嘴處設為質量流率邊界, 通過設置參數實現燃氣噴射流量的調節。

圖1 計算域邊界設置

2.2 網格劃分

使用滑移接口實現航行器及周圍網格的運動, 動網格區域頂端和底端采用Layer方法實現網格的生長和消失。通過驗證網格無關性, 使計算結果不存在網格劃分偏差。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。

圖2 計算域網格劃分

圖3 頭部及噴嘴網格劃分

2.3 動網格設置

由于航行器在計算過程中為運動狀態, 會引起流場網格的變化, 故采用動網格技術以實現整個發射過程中流場的非定常數值仿真。研究中, 航行器運動的整個通道需要不斷更新網格, 所以將通道設置為變形區域, 通道外側部分設置為固定區域。動網格區域設置如圖4所示。

圖4 動網格設置

2.4 出筒求解參數設定

按表1所列工況開展數值仿真。仿真采用2種噴嘴方案, 方案1采用8個噴嘴, 分別置于迎、背流兩側, 其中2個噴嘴位于對稱面上; 方案2 采用3個噴嘴, 置于迎流面處, 其中1個噴嘴位于對稱面上。噴嘴個數與分布方式設置如圖5所示。

表1 數值仿真工況

圖5 燃氣噴嘴布置方案

2.5 航行器表面監測點設置

在航行器表面分布16圈壓力測點, 每圈均勻布置8個監測點。為了較全面地捕獲航行器表面壓力, 在曲率較大的頭部區域布置5圈測點, 圓柱段區域布置11圈測點。采用UDF捕獲航行器表面壓力變化規律。測點位置坐標如圖6所示。

圖6 壓力監測點周向布局圖

3 仿真結果與分析

3.1 航行器出筒流場特性

航行器在出筒過程中按照預定的速度規律運動。方案1(8噴嘴)中不同運動時刻的氣液分布如圖7所示, 其中藍色部分為燃氣, 紅色部分為水。從圖中可以清晰地觀察到燃氣生成、膨脹及航行器在燃氣包裹下的運動過程。燃氣噴出后在橫向來流影響下產生橫移, 燃氣向筒口擴散、膨脹, 逐漸形成氣幕, 覆蓋于發射筒上方。航行器出筒過程中始終被氣幕包裹, 出筒后逐漸脫離氣幕。

圖7 方案1(8噴嘴)出筒流場特性

圖8為方案4(3噴嘴)方案流場氣相云圖, 較之8噴嘴布局, 由于單個噴嘴燃氣流量的增大, 燃氣較快到達筒口, 對稱面上的氣幕量增多, 對航行器的覆蓋面積更廣。在航行器危險截面到達筒口上沿時, 方案4中燃氣生成的氣幕能夠完全包裹頭部與出筒圓柱段, 從而對航行器運動形成保護。而方案1中航行器出筒后由于背流面氣量較小, 在危險截面到達筒口上沿時刻未對整個航行器形成完整包絡。

圖8 方案4(3噴嘴)出筒流場特性

3.2 射流流量對航行器出筒降載影響

圖9給出了方案1~3與無氣幕工況下的法向力和彎矩的曲線對比。在航行器運動初期, 由于噴射燃氣的影響, 筒口壓力場分布不均勻, 迎、背流面壓差較大, 導致航行器頭部出筒時載荷增大, 此時燃氣未能覆蓋航行器。方案2由于迎流噴嘴燃氣流量的增大, 有效減小了迎流、背流壓差, 在0.1~0.16 s期間顯著降低了法向力, 航行器出筒之后的彎矩波動較小。當尾部離開筒口后, 迎流面氣體與背流面混合, 增大了背流面壓力從而減小了壓差, 使得法向力和彎矩有所降低。方案3中由于燃氣流量較小, 在航行器出筒后迎、背流面的壓差較大且壓力分布不均勻, 載荷曲線振蕩較大, 降載效果較差。

圖9 方案1~3危險截面載荷曲線

圖10給出了方案4~5和與無氣幕工況下的法向力和彎矩的曲線對比。從圖中可以看出, 從航行器出筒到危險截面到達筒口時刻, 較之全沾濕工況法向力均有具有一定的降低。從彎矩圖也可以看出, 由于氣幕的存在降低了出筒載荷。由圖8也可以看出, 在航行器出筒之后燃氣形成的氣幕能夠較完整地包裹住頭部以及出筒的圓柱段區域, 為航行器出筒提供良好的彈道通道。在航行器運動初期, 2個方案的降載效果接近。在危險截面到達筒口處, 由于方案5燃氣量較多, 形成的氣幕包裹范圍更廣, 出筒載荷也有進一步下降的趨勢。因此, 在噴嘴布置方案相同的前提下, 增大燃氣流量可以顯著降低出筒載荷, 但也需綜合考慮裝藥量的限制, 優化噴射方案。

圖10 方案4和5危險截面載荷曲線

上述內容研究了在相同噴嘴方案的情況下燃氣量對降載效果的影響。同樣, 當燃氣量一致的情況下, 噴嘴布置方案也會影響航行器的出筒載荷。從表1可知, 方案2與5、方案3與4的燃氣流量基本一致, 降載效果主要取決于噴嘴布置方案的差異。由圖11和圖12可知, 在航行器運動初期, 采用3噴嘴方案可在航行器迎流面較早形成氣幕包裹, 降載效果較8噴嘴更為明顯。當航行器危險截面到達筒口, 3噴嘴燃氣形成的氣幕包絡范圍不如8噴嘴方案, 迎、背流面存在明顯的壓差, 法向力曲線振蕩顯著, 降載效果弱于8噴嘴方案, 該現象也可通過圖7和8進行驗證。

3.3 提前噴射對航行器出筒降載影響

此前研究主要是基于燃氣噴射與航行器運動同時刻進行, 在低流量噴射方案中筒口位置形成氣幕時機有一定程度的滯后, 待危險截面到達筒口位置時不能形成完整的包絡保護, 降載效果不理想。而一味增大噴射流量也會增加裝藥量, 不便于適裝。從減小裝藥量、提高保護效率方面考慮, 有必要研究提前噴射對降載效果的影響。文中采用方案1航行器運動延遲燃氣噴射0.05 s(延遲工況), 與航行器運動無延遲工況及方案5工況進行對比分析, 如圖13所示。

圖11 方案2和5危險截面載荷曲線

圖12 方案3和4危險截面載荷曲線

圖13 延遲工況與方案1危險截面載荷曲線

從圖13可以看出, 燃氣提前0.05 s噴射, 當航行器頭部到達筒口處, 氣幕分布比較均勻, 法向力在出筒時刻沒有出現劇烈的波動, 從彎矩曲線也可以得出類似的結論。航行器出筒過程中壓力曲線出現振蕩, 由航行器迎、背流面的壓差導致, 但延遲工況壓力曲線的振蕩程度要明顯好于無延遲工況, 表明氣幕分布均勻性可有效改善載荷波動程度。在危險截面到達筒口時刻, 可以看出延遲工況的降載效果顯著提升, 在尾部離筒之前所受載荷均低于全沾濕工況, 降載效果明顯。

將方案1延遲工況與降載效果較好的方案5(燃氣量較大)相比較(見圖14)。可以看出, 在航行器運動初期, 提前噴射燃氣可有效改善筒口壓力分布不均勻的問題, 降低航行器迎、背流面壓差, 法向壓力波動減弱。隨著航行器不斷運動, 2種工況下航行器迎、背流面壓差與載荷波動趨于一致, 此階段2種方案的降載效果相當。當危險截面出筒后, 方案5出現載荷增大且劇烈波動狀態, 主要由于航行器迎、背流面的壓力不均衡導致出現較大的壓差。此時延遲工況的法向力與彎矩載荷波動較小, 降載穩定性及降載效果明顯優于方案5, 且可攜帶更少裝藥量, 考慮到適裝性與安全性, 延遲點火方案更有利于降低航行器出筒載荷。

圖14 延遲工況與方案5危險截面載荷曲線

4 結束語

文中針對筒口燃氣射流對航行器出筒降載效果的影響, 建立了非定常多相流場模型, 仿真了筒口氣體射流下航行器發射過程的流場特性, 分析了航行器出筒流場分布規律, 獲取了不同射流流量、噴嘴布置方案及提前噴射工況下的航行器法向力和彎矩載荷, 對比分析了不同氣體噴射流量及提前噴射下的出筒降載效果, 得到以下結論:

1) 在發射筒口噴射燃氣能夠在航行器出筒過程中形成氣幕通道, 降低航行器出筒過程危險截面載荷, 提高航行器發射可靠性與安全性。

2) 當噴嘴布置方案一定時, 通過增大噴射流量可顯著提升降載效果; 當噴射流量一定時, 采用迎、背流面布置噴嘴方案能夠更有效降低航行器迎、背流面壓差, 保證航行器危險截面在出筒過程中受到較為完整的氣幕保護。

3) 采用提前噴射燃氣方案能夠在航行器出筒前形成穩定的氣幕, 有效改善出筒壓力場環境, 降低危險截面載荷, 減小載荷波動程度, 為航行器提供良好的彈道環境。

文中針對筒口射流流量以及射流時機對降載效果的影響規律進行了一些探索, 具有一定的工程實用價值和參考。但文中仿真并沒有考慮諸如多筒連射狀態下筒口射流影響、射流引起的發射特征變化、發射平臺適裝性及安全性等問題。今后將以此為目標深入探討, 以期獲得良好的工程應用價值。

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Effects of Gas Jet at Tube Outlet on Load Reduction of Undersea Vehicle

CHENG Dong1, CHEN Fei-yu1,2, LU Bing-ju1,2, QIN Li-ping1,2

(1. The 713 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China; 2. Henan Key Laboratory of Underwater Intelligent Equipment, Zhengzhou 450015, China)

The stable gas curtain formed by gas jet at the launch tube outlet is conducive to the reduction of outlet loads during launch of undersea vehicle and to the better trajectory environment. In this paper, an unsteady multiphase flow field model is established to analyze the effects of the flow rate of gas jet at the tube outlet and the early jet on the outlet load of undersea vehicle, the distribution law of the gas jet at the tube outlet, and the surface pressure and bending moment of the vehicle. The outlet load reduction effectiveness under different gas flow rate, position of nozzles and early jet are compared. The results show that the outlet loads can be effectively reduced by the gas curtain, and the measures such as increasing the flow rate of gas jet, uniformly laying the nozzles and early jet are beneficial to the load reduction.

undersea vehicle; gas curtain; flow rate of gas jet; unsteady multiphase flow

TJ762.4; O359

A

2096-3920(2020)04-0382-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.005

2019-07-08;

2019-08-09.

裝備預研基金項目(JZX7Y20190247021201); 軍科委創新基金項目(081500).

程 棟(1966-), 男, 博士, 研究員, 主要研究方向為水下導彈發射技術.

程棟, 陳飛宇, 盧丙舉, 等. 筒口氣體噴射對水下航行器降載影響研究[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(4): 382-388.

(責任編輯: 陳 曦)