基于CFD的假海试验设施鱼雷接收管数值仿真

王贤明，段　浩，王　云

（中国船舶重工集团公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

基于CFD的假海试验设施鱼雷接收管数值仿真

王贤明，段浩，王云

（中国船舶重工集团公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

鱼雷接收管是假海试验设施的重要组成部分，其主要作用是接收发射出管、沿导向管而来的鱼雷，并使其减速、停止在接收管中。文中采用商用CFD软件，使用剪切压力传输（SST）k-w模型并结合动网格技术，仿真了在一系列参数条件下鱼雷进入接收管的运动过程。仿真中分别考虑了接收管的内半径、管长及雷速等参数，得到了这些参数对鱼雷运动过程的影响。仿真结果表明，鱼雷进入接收管由于受水体作用的影响，具有明显的非线性特征。仿真结果可为接收管设计提供验证和支撑。

鱼雷接收管； 假海实验设施； 发射； 非线性； 动网格

0　引言

假海是支撑大深度雷弹发射关键技术研究的基础试验设施的主要组成部分［1］，为水下多种武器发射提供大深度模拟水深的发射试验环境。通过假海可进行诸多发射装置研发过程中必不可少的相关试验研究，相关的试验结果可以及时反馈到研制过程中，提高发射装置的可靠性和安全性，有效降低系泊试验、实航试验的风险，缩短研制周期。

接收管作为假海试验设施的重要组成部分，主要作用是在鱼雷经发射管发射出管后对其减速及回收。影响接收管效用的主要参数有接收管长度、管内壁半径及接收管形状等，这些参数的合理性将直接影响接收管是否可以有效使鱼雷减速并停止，防止鱼雷撞击破坏假海筒体。

由于鱼雷进入接收管后会引起管内水体复杂流动，水流会直接影响鱼雷的受力及运动过程，并且由于雷速不断下降，雷诺数由高到低变化，需要考虑鱼雷受到的粘性力作用，因此采用基于有限体积法的CFD计算方法对鱼雷进入接收管的运动过程进行仿真分析。

1　模型的建立

1.1计算域选取

鱼雷回收过程中的流场模型在水平面和竖直平面内均为对称结构，可将其简化为2D轴对称模型。此外，鱼雷和导轨、接收管之间间隙极小，鱼雷的运动轨迹基本一直保持在接收管中心轴线上。同时，由于武器在水中的负浮力较小并且回收过程主要关注鱼雷轴向速度变化，因此可以忽略重力、导轨摩擦力等因素，并忽略鱼雷的垂向运动。此外为了便于网格划分以及数值仿真，将鱼雷简化为不带鳍、舵、桨的回转体。

文中选取圆柱型接收管作为研究对象进行建模分析。鱼雷进入接收管后会立即引起管内水体的剧烈运动，为使雷体进入接收管前得到合理的流场，选择距离接收管入口1.5 m的位置作为仿真计算的初始位置（如图1中点O所示位置）。计算域及坐标系如图1所示，计算区域采用2D轴对称，旋转轴为OX，其中OE为11 m，DE为3.5 m。

图1　计算域及坐标系Fig. 1　Calculation domain and coordinate system

1.2网格划分

由于模型较大且鱼雷与接收管之间间隙极小，如果使用三角形网格对模型进行网格划分将产生数量巨大的网格； 同时选择三角形网格的划分方式就意味着在使用动网格的过程中，网格更新方式［2］只能使用弹性光顺法和网格重构法，这不仅对计算机硬件要求极高，而且针对如此复杂的接收过程仿真计算很难收敛。为了兼顾网格生成质量、数量以及在运用动网格技术时选取铺层法，文中选择了四边形结构网格划分方式对模型进行网格划分，网格划分情况如图2所示，并对雷体周围区域采用C形拓扑［3］。

如前所述，鱼雷在接收过程中的运动轨迹为直线，因此采用铺层法进行网格的生成和消除。铺层法要求对网格区域进行动、静网格区域分区。由于鱼雷和导轨、回收管之间存在间隙，动网格区域和静网格区域运用FLUENT提供的滑移网格技术［4］使两部分网格连接起来。

图2　网格划分Fig. 2　meshing

图3　网格局部放大Fig. 3　Local amplification of grid

1.3算例参数选择

文中主要针对圆柱形式接收管进行计算分析，分别选取管长为9 m及13 m，管内壁半径为0.300 m、0.295 m、0.285 m，鱼雷直径为0.533 m，鱼雷距接收管口1.5 m，起始速度分别为10 m/s、15 m/s。根据不同的参数组合，共完成8个算例的计算，详细算例参数设置见表1。

表1　各算例的参数设置Table 1　Parameters setting in numerical examples

1.4流场边界条件

边界条件设置［5］: 速度入口为DE； 压力出口为CD； 其余均为壁面边界条件。

鱼雷的运动速度可在每个时间步流场计算收敛后由UDF计算得到，具体方式是: 在得到每个时间步的鱼雷受力后，根据牛顿第二定律得到鱼雷加速度，鱼雷的速度和位移即通过对加速度积分得到。鱼雷加速度公式［6］由式（1）确定。

式中:PT，PH分别为鱼雷前后压力值，即为鱼雷前后压差力； S为鱼雷湿周面积； f为鱼雷受到的粘性阻力； Fm为鱼雷与假海中导轨的机械摩擦阻力，由于鱼雷的负浮力较小，计算中将该力忽略。其中，和f均可通过UDF使用FLUENT提供的宏对鱼雷表面进行积分获得［7］。仿真中使用了FLUENT提供的定义面上受力及力矩的宏函数“COMPUTE_ FORCE_ AND_MOMENT”和提供重心移动的宏函数“DEFINE_CG_MOTION”。前者可输出实时的物面压力积分值，后者用于定义动网格以及固壁边界运动。

1.5求解器设置

整个计算域内流体均为不可压缩的，在FLUENT中选择基于压力的瞬态求解器； 由于鱼雷航速随着时间的推进不断下降，雷诺数由高到低变化，因此湍流模型选择采用雷诺数适用范围广的SSTk- w模型； 压力速度耦合采用SIMPLEC；为保证仿真精度，压力的空间离散采用PRESTO！格式，其余均采用高阶QUICK格式。

2　计算结果及分析

2.1计算结果

在各算例计算过程中，对每个时间步鱼雷的位移及速度分别进行输出，因此得到鱼雷在接收过程中的航速、位移变化（如图4和图5所示）。通过计算结果可以看到，鱼雷进入接收管有明显的减速过程，在2 s内鱼雷航速可下降至较小的状态，但是鱼雷还在微弱外力的作用下缓慢运动，从而使鱼雷位移变化结果各算例间存在一定差异。

图4　不同起始雷速条件下鱼雷航速的计算结果对比Fig. 4　Comparison among speed calculations of a torpedo with different starting speeds

为说明接收管内流场的压力变化过程，以 C-2算例为例对不同时刻的流场压力云图结果进行输出，如图6所示。由计算结果可知，鱼雷头部在进入接收管管口后，接收管内压力迅速上升，随后接收管内压力通过鱼雷与接收管的间隙迅速释放，管内压力的升高阻碍了雷体的入管运动并降低了雷速，但随着管内压力下降鱼雷受到的阻力也随之下降。对于高航速鱼雷进入接收管内将鱼雷进入接收管内产生的压力较低则使雷速下降较慢，因此鱼雷运动与水体运动相互耦合具有明显的非线性特征，这也说明了图4中不同航速鱼雷进入接收管的运动过程具有明显差异的原因。

图5　不同起始雷速条件下鱼雷位移计算结果对比Fig. 5　Comparison among displacement calculations of a torpedo with different starting speeds

图6　不同时刻的流场压力云图(D-1)Fig. 6　Pressure contour of flow field at different moment(torpedo D-1)

现取坐标（-4，0.05）点（位于接收管内）处不同时刻的压力情况来观察接收管内压力变化情况，如表2。由表中数据可知，鱼雷头部在进入接收管管口后，接收管内压力迅速上升，很短的时间内就增加到很大的压力，随后接收管内压力通过鱼雷与接收管的间隙迅速释放，在3 s左右就下降到不足最高压力的0.000 1。

表2　(–4, 0.05)点处的压力变化情况Table 2　Change of pressure at point (-4, 0.05)

2.2结果分析

文中计算对每个算例设置了不同的接收管内半径、管长及鱼雷初速度等参数，通过结果分析可以得到3个参数对鱼雷回收运动过程的影响，进而为接收管的设计提供理论依据。

1）接收管内半径对鱼雷运动的影响

图7是相同管长、相同鱼雷初速条件下不同接收管内半径下的计算结果比较，可以看到进入间隙越小的接收管鱼雷减速过程越快，这主要是因为间隙直接影响到接收管内水体的排出速率，间隙较大时接收管的水体排出较快，使得管内压力下降较快，因此鱼雷航行阻力相对较小。

由结果可知，接收管的内半径越小越有利于雷体减速。经分析，当接收管内半径＞0.59 m时雷体减速效果较差。

2）鱼雷初速度对接收管减速效果的影响

从图4可以看到，初速度越高的鱼雷在进入接收管的初期速度衰减的越快，这是因为鱼雷速度越高，受到的阻尼力也越大，物体受到的冲击也较大，速度因而衰减的快； 在初始的剧烈运动中，速度快速下降，之后的速度变化就很小了，鱼雷初速对这一情况的影响不是很大。图8是算例A-1及A-2在0.3 s时刻的速度云图，可以看到，鱼雷初速度越高进入接收管后引起的流动越剧烈，受到影响的水体流域越广，对应的鱼雷动能损失越快。这表明了鱼雷运动与水体运动之间复杂的耦合关系。

图7　 不同接收管内半径的鱼雷航速计算结果对比Fig. 7　Comparison among calculations of torpedo speed for different inside radii of receiving tube

图8　t=0.3 s的A-1与A-2鱼雷的速度云图Fig. 8　Velocity contour of torpedo A-1 and A-2 when t=0.3 s

3）管长对接收管减速效果的影响

通过B-1、B-2、C-1、C-2算例的结果比较可以分析接收管管长对鱼雷减速效果的影响（如图9所示）。通过结果对比可以看到，接收管长度对减速效果影响较小，鱼雷在2 s后速度出现细微的差异，通过比较分析长管的减速效果略胜于短管。

图9　不同管长条件下鱼雷航速计算结果对比Fig. 9　Comparison among calculations of torpedo speed for different lengths of receiving tube

3　结论

通过以上一系列的计算结果分析可以得到以下结论。

1）在鱼雷初速小于15 m/s的情况下，从内半径越小鱼雷减速效果越明显的角度来看，应尽可能减小接收管内半径，但过于减小接收管内半径会导致鱼雷与管壁间隙太小，可能会造成卡管现象，综合考虑之下，可取接收管内半径为0.575～ 0.585 m。

2）接收管的管长对鱼雷管内运动影响不是很明显，长管略微优于短管，可以在保证鱼雷回收安全的前提下优先考虑短管。

［1］ 董明阳，王云，段浩. 假海试验设施复杂内流场仿真［J］.鱼雷技术，2015，23（1）: 66-70.

Dong Ming-yang，Wang Yun，Duan Hao. Simulation on Complicated Inner Flow Field in False Sea Test Facility［J］. Torpedo Technology，2015，23（1）: 66-70.

［2］ 隋洪涛，李鹏飞，马世虎，等. 精通CFD动网格工程仿真与案例实战［M］. 北京: 人民邮电出版社，2013.

［3］ 纪兵兵，陈金瓶. ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解［M］. 北京: 中国水利水电出版社，2012.

［4］ 江帆，黄鹏. FLUENT高级应用与实例分析［M］. 北京:清华大学出版社，2008.

［5］ 韩占忠，王敬，兰小平. Fluent流体工程仿真计算实例与应用［M］. 北京: 北京理工大学出版社，2004.

［6］ 练永庆，王树宗. 鱼雷发射装置设计原理［M］. 北京:国防工业出版社，2012.

［7］ ANSYS Inc. FLUENT User′s Guide［M］. United States: ANSYS Inc，2003.

（责任编辑: 许妍）

Numerical Simulation of Torpedo Receiving Tube of False Sea Test Facility Based on CFD

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

Receiving tube is an important component of false sea test facility. Its main function is to receive the launched torpedo coming along guide pipe，and to make the torpedo slow down and stop in it. In this study，the motion processes of a torpedo into the receiving tube are simulated with a series of parameters by making use of the shear stress transmission（SST）k- wmodel and dynamic mesh in the commercial software CFD. The parameters include the receiving tube′s inside radii and length，the torpedo speed，etc. The effects of these parameters on the torpedo motion process are acquired. Simulations show that the process of a torpedo entering into the receiving tube has obvious nonlinear characteristics due to the effect of water. The simulation results may provide verification and support for design of receiving tube.

torpedo receiving tube； false sea test facility； launch； nonlinear； dynamic mesh

TJ635

A

1673-1948（2015）05-0388-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.013

2015-07-21；

2015-08-13.

王贤明（1991-），男，在读硕士，研究方向为水下发射技术.