渐扩型自航发射鱼雷内弹道模型与仿真

刘海明, 张振山, 程广涛



渐扩型自航发射鱼雷内弹道模型与仿真

刘海明, 张振山, 程广涛

(海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉 430033)

为探讨采用渐扩型自航发射管是否提高了鱼雷出管速度和补水压差引起的附加阻力对鱼雷出管速度的影响程度, 通过对自航管内非常局限性边界条件下鱼雷受力的分析, 建立了渐扩型自航发射管的内弹道模型。结合鱼雷在管内各阶段的运动状态, 对渐扩管引起的流体阻力实时计算, 进行了计算机仿真。通过仿真结果的比较, 证明采用渐扩型自航发射管提高了鱼雷出管的速度, 为以后自航发射装置的设计和改进提供了一定的理论基础, 并通过比较,说明了补水压差引起的附加阻力也是影响鱼雷出管速度的重要因素之一。

鱼雷; 自航发射; 渐扩型; 内弹道模型; 补水压差; 附加阻力

0 引言

自航式鱼雷发射装置依靠鱼雷自身能源产生动力航行出管, 可在任意深度发射, 且发射噪音低, 隐蔽性好。但是由于潜艇内空间有限, 管径和长度的增大势必会影响潜艇结构尺寸和空间。本文所论述的渐扩型自航发射管由后段管和前段管组成。前段管是慢慢变大的, 成喇叭形状, 后段管为等截面管。采用渐扩型自航发射管, 增大管径的同时又兼顾考虑了潜艇内空间的有限性。

以前对自航发射的理论分析多针对等截面自航发射装置采用的等截面管[1], 鱼雷的出管速度偏低。而变截面自航发射装置建立内弹道模型时未考虑补水压差引起的附加阻力[2], 其鱼雷出管速度影响因素考虑不够全面。本文将补水压差引起的附加阻力引入到渐扩型自航发射装置的内弹道模型中。在计算阻力引起的损失时, 将渐扩型自航发射装置分为等截面管和渐扩管两部分来计算, 并对鱼雷发射过程中的附加流体阻力进行实时计算, 建立内弹道模型, 并进行编程仿真。对采用本文发射装置是否提高鱼雷的出管速度进行了分析, 通过仿真曲线的比较, 说明了补水压差引起的附加阻力对鱼雷出管速度的影响程度。

1 内弹道数学模型

1.1 条件约束简化

在大口径的管状发射管中, 自航鱼雷是在非常局限的边界条件下运动的, 鱼雷的速度及其周围的补水流速不断变化, 使鱼雷在非定常流场中运动, 所以鱼雷内弹道运动情况极为复杂。

为简化模型计算方便, 研究中假设为定常流场计算鱼雷阻力和流体阻力, 鱼雷管内的运动处于紊流流场中; 当潜艇航行深度大于3 m时, 兴波阻力可为0 N; 忽略鱼雷的重心、浮心和流体动力压力引起的力矩影响; 附加质量取理想流体中运动时相同的值计算。本文所指的内弹道是指鱼雷尾端面离开发射管前端面之前的运动轨迹。

螺旋桨提供的总推力分为推力减额(或附加阻力)和雷体-螺旋桨系统中桨提供的净推力。仿真过程中, 当计算螺旋桨推力时, 考虑到了推力减额值, 推力减额系数由经验知, 取值范围在0.15~0.27, 本文取0.16。同时考虑雷体的伴流速度, 雷体伴流系数一般取值为0.18~0.23。螺旋桨的伴流系数等在渐扩流道中是一个变数, 并且这个系数的获得非常复杂, 为简化模型假设伴流系数为定值, 本文取0.2。

1.2 模型建立

鱼雷在渐扩管型自航管中运动时, 所受动力和各种阻力情况如图1所示。

图1 鱼雷受力示意图

根据牛顿第二定律, 内弹道方程

式中:为鱼雷质量;λ为鱼雷在运动方向上的附加质量;P为鱼雷螺旋桨推力瞬时值;R为鱼雷运动阻力瞬时值;R为局部损失引起的附加阻力瞬时值;R沿程损失引起的附加阻力瞬时值;R为补水压差引起的阻力瞬时值;R为鱼雷与发射管导轨间的摩擦阻力。

附加质量的计算公式[3]

式中,0是=1所对应的单位速度势, 仅与物体的形状和运动的方向有关。本文将鱼雷近似看成旋转椭球, 其附加质量系数取值范围为0~0.5, 在仿真计算时取0.1倍的鱼雷质量。

螺旋桨转速随时间的变化规律可以通过电机性能、启动方式建立的数学模型求得; 也可以通过试验曲线数据反推出转速与时间的函数关系。采用由试验数据回归的函数关系式表示螺旋桨转速与时间的关系

式中:为电机启动系数。

仿真计算中, 取=29.6。图2为鱼雷电机启动时转轴转速随时间变化曲线。

图2 电机转轴转速与时间的仿真曲线

因为受管内非常局限边界条件的影响, 使螺旋桨转速随时间的变化规律呈现出有别于敞水状态的非规则运动, 电机低速启动, 螺旋桨必须经过一定时间才能达到额定转速, 也就是说螺旋桨转速开始是随着时间的变化而不断增大, 经过一定时间才能达到额定转速。

1.3 补水压差引起的阻力瞬时值

鱼雷在管内运动时, 在尾端会形成两个负压区。一是螺旋桨旋转的时候会把水吸进来, 随着螺旋桨转速的增加, 从而使尾部的水流速度增加导致尾端压力降低, 而其所增加的阻力计算为推力减额系数。另一个则是鱼雷向前运动时, 其尾端后部会留下一定的空间, 海水从前段管管口流进之后填补了这个空间，而这一过程也就是补水过程。

实现充分补水可以减少鱼雷局部损失引起的附加阻力和沿程损失引起的附加阻力, 增加鱼雷出管速度。实现充分补水的方法就是改善边界条件比如说增大发射管管径。但是, 潜艇的结构尺寸决定了改善边界条件受到限制。采用渐扩型鱼雷自航发射管一方面考虑潜艇的结构尺寸，另一方面渐扩管的补水面积变大，有利于减小阻力。补水将在尾端形成负压区, 产生补水压差。其负压区压力分布极为复杂, 为简化计算, 作定常假设, 这一过程适用伯努利方程, 取管外无限远处为流线起点, 鱼雷尾端为流线终点, 流线处于等势面[3]。伯努利方程如下。

式中:z,z分别为相对于基准面的位置高度;P为鱼雷尾部压力;P为管外海水压力;V为流线起点水流速度;V为流线终点水流速度;h为水头损失。

由伯努利方程, 补水压差引起的阻力瞬时值

1.4 局部损失引起的附加阻力瞬时值

本文前段管为渐扩管, 所讨论的局部损失引起的附加阻力要比等截面管结构复杂, 在渐扩段, 鱼雷与发射管的环形间隙不是固定不变的。介质流通截面发生改变的位置有3处: 发射管入口处、鱼雷与发射管环形间隙突缩处和鱼雷尾锥段。

局部损失公式

鱼雷与发射管环形间隙突缩处局部损失系数

2 仿真计算及结果分析

在前段管(5 000 mm)、后段管(3 000 mm)长度相同和渐扩角(1.5o)相同的条件下，对不同管径进行仿真计算, 其计算结果如表1。等截面管的仿真数据如表2所示[1]。

表1 不同管径鱼雷自航发射仿真计算结果

表2 等截面管鱼雷自航发射装置仿真计算结果

对应表1的第1组发射管尺寸, 可得仿真曲线如图3和图4所示。对应表1的第1组发射管尺寸, 在仿真的时候不考虑补水压差引起的附加阻力可得仿真曲线, 如图5所示。

图3 补水压差引起的附加阻力与时间的仿真曲线

图4 考虑补水压差时鱼雷行程与速度的仿真曲线

图5 不计补水压差鱼雷行程与速度的仿真曲线

如表2所示，用直径570 mm等截面管自航发射533口径鱼雷, 出管速度为1.608 m/s。而表1中第2组数据把570 mm等截面管前段3 m的管改成渐扩管, 其出管速度为4.89 m/s, 从数据的比较可知，采用渐扩型自航管, 鱼雷的出管速度得到明显提高。

图3表示的是补水压差引起的附加阻力与时间的仿真曲线, 由曲线可知, 补水压差阻力值还是比较大的，对鱼雷的出管速度也有较大影响。与此同时, 图4和图5分别建立了考虑补水压差引起的附加阻力和不计补水压差引起的附加阻力时鱼雷行程与速度的仿真曲线。通过仿真计算, 图4中鱼雷出管速度为5.876 m/s, 图5中鱼雷出管速度为6.665 3 m/s, 两者相差0.789 3 m/s，可见补水压差阻力确实影响了鱼雷的出管速度。综观图3仿真曲线的分析以及图4图5的比较, 可见补水压差引起的附加阻力确是影响鱼雷出管速度的重要因素之一, 而在以往学者讨论影响鱼雷出管速度的因素, 以及建立自航鱼雷内弹道模型时, 却往往忽略补水压差引起的附加阻力。

3 结束语

本文通过对渐扩型鱼雷自航发射管发射过程中受力情况的分析, 综合考虑了各种阻力因素, 包括补水压差引起的附加阻力, 建立了渐扩型自航发射鱼雷的内弹道模型。并以鱼雷参数为例进行了仿真计算, 通过与文献[1]中的数据比较, 从理论上分析了渐扩型鱼雷自航发射装置提高鱼雷出管速度的可行性, 为自航发射管设计和改进提供了一定的理论依据。仿真结果表明, 补水压差引起的附加阻力也是影响鱼雷出管速度的一个重要因素, 在以后建立自航鱼雷内弹道模型的时候, 补水压差引起的附加阻力也必须考虑进去。由于采用简化模型, 仿真结果数据与实际的情况存在一定的误差, 后面还需要做大量细致的工作。

[1] 欧阳辉旦, 程广涛, 张振山等.自航发射鱼雷内弹道模型与仿真[J]. 鱼雷技术, 2009, 17(1): 48-51. Ouyang Hui-dan, Cheng Guang-tao, Zhang Zhen-shan. Modelling and Simulation of Interior Trajectory for Torpedo Swim-out Launching [J]. Torpedo Technology. 2009, 17(1): 48-51

[2] 王燕飞, 张振山. 自航发射鱼雷内弹道模型与仿真研究[J] 系统仿真学报, 2006, 18(2): 316-318 Wang Yan-fei, ZhangZhen-shan, Modelling and Simulation of Interior Trajectory Model for Torpedo Swim-out Laun- ching [J]. Journal of System Simulation 2006, 18(2): 316-318

[3] 张兆顺, 崔桂香. 流体力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.

[4] 黄震中. 鱼雷总体设计[M]. 北工业大学出版社, 1987.

[5] 侯国祥, 孙江龙等. 工程流体力学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

Modeling and Simulation of Interior Trajectory for Torpedo Expansionary Swim-out Launching

LIU Hai-ming, ZHANG Zhen-shan, CHENG Guang-tao

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To understand whether the expansionary tube increases the outlet speed of torpedo and how the additional resistance due to pressure difference of seawater compensation influences the speed，a interior trajectory model for torpedo expansionary swim-out launching was set up for analyzing the forces on torpedo under abnormal limitation boundary condition in the expansionary swim-out torpedo tube. Based on the torpedo’s movement in the tube in different phases, computer simulation was conducted to calculate expansionary tube induced flow losses. Comparison of the test and simulation data indicates that the outlet speed of torpedo is increased by adopting the expansionary tube, and the additional resistance due to pressure difference of seawater compensation affects the outlet speed of torpedo. This study may provide a theoretical basis for design and improvement of the swim-out launcher.

torpedo; swim-out launching; expansionary tube; interior trajectory model; pressure difference of seawater compensation; additional resistance

TJ635

A

1673-1948(2011)02-0144-04

2010-05-05;

2010-07-14.

刘海明(1986-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为兵器发射理论与技术.

(责任编辑: 许 妍)