雷弹发射系统应急发射状态下发射阀内流场分析

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）

雷弹发射系统应急发射状态下发射阀内流场分析

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）

发射阀是潜艇雷弹发射系统的重要部件, 其主要作用是准确控制气体的流量以及压力, 从而保证发射过程的精确性。文中采用商用CFD软件, 建立了应急发射状态下发射阀内流场的数学模型, 使用剪切压力传输(SST) k-ω模型并结合动网格技术对该模型进行了数值仿真。仿真结果详细直观地描述了发射阀内流场各个阶段的瞬态压力、瞬态速度分布。所获得的仿真结果可为发射阀流道的优化设计提供理论依据, 同时还可为研究潜艇发射系统的振动与气动噪声提供参考。

雷弹发射系统；发射阀；流场仿真；动网格；应急发射；气动噪声

0　引言

水压平衡式雷弹发射系统利用压缩空气作为能源，通过不同的动力转换装置（往复泵式、气动冲压式或涡轮泵式）［1］实现鱼雷的发射。雷弹发射系统［2］作为一种流体动力机械作用特殊，它的内部流体的流动情况直接或间接的影响了雷弹发射系统工作中所表现出的所有瞬态特性，而发射阀是雷弹发射系统的关键部件，影响雷弹发射系统瞬态特性从而实现对雷弹发射内弹道参数的控制。准确认识与把握详细的发射阀内部流场流动特征，对研究雷弹发射系统的瞬态特性具有重要意义［3］。

发射阀能准确控制气体的流量以及压力，从而保证发射过程的精确性。正常情况下，发射阀可按程序控制模块设定好的程序控制阀芯的运动，获得不同的发射阀开启面积变化规律。当电液伺服系统不能正常工作时，使用应急发射系统来操作。应急发射是在电控发射无法正常工作的情况下，通过应急系统使发射阀阀芯按某一恒定速度提起，将武器抛射出管，是保障武器成功发射的重要手段。对应急发射状态下发射阀内部流场进行数值仿真，可以得到发射过程中发射阀内流场的瞬态压力、瞬态速度分布情况。

1　模型的建立

1.1发射阀模型

发射阀结构如图1所示，主要由截止阀、阀芯等部件组成，其3D模型剖面如图2所示。

图1　发射阀结构图Fig.1　Structure of launch valve

图2　发射阀3D模型剖面图Fig.2　Sectional view of three-dimensional model of launch valve

从图1和图2可以看出，发射阀的一端连接高压气瓶，另一端与空气涡轮机相连。发射开始时，阀芯向上运动使特形孔打开接通气路，高压空气从高压气瓶中流出，从左侧口进入发射阀，从下方口流入空气涡轮机进气口推动涡轮机转动从而实现鱼雷发射。在应急发射状态下，阀芯按恒定速度提起，其阀芯开启面积变化规律如图 3所示。

图3　发射阀开启面积变化规律Fig.3　Variation of launch valve open area

1.2控制方程

气体在发射阀内部流场的流动是可压缩流动［4］。文中采用非定常3D可压缩流体的控制方程组作为数学模型［5］。直角坐标系下，非定常3D可压缩流体流动的瞬态控制方程组［6］为

1） 连续性方程

式中: ρ是密度；t是时间；u是速度矢量。

2） 动量方程

式中: u，v，w是速度矢量u在3个方向的速度分量；μ是动力粘度；p是作用在流体微元上的压力；Su，Sv，Sw为广义源项。

3） 能量方程

式中: T为温度；c为比热容；k为流体的传热系数；ST简称作粘性耗散项。

4） 状态方程

1.3网格划分和动网格

数值仿真的第1步是网格划分，仿真能够顺利运行和仿真结果准确的关键步骤也是网格划分。

相对于整个阀体结构来说，由于阀芯结构尺寸比较小，假如运用自动四面体网格进行网格划分后的网格数量会很大且网格质量不会很好，导致仿真不能进行。同时如果选择自动四面体网格的划分方式就意味着网格的更新方式只能是弹性光顺法和网格重构法，这对计算机硬件要求极高。为了兼顾网格生成质量、数量以及动网格技术能选用铺层法，选择全六面体结构网格划分方式对发射阀内部流道进行网格划分。

为模拟发射阀在开启过程中的各种性能以及流场分布，需要使用动网格技术［7］。动网格即流场区域的某个边界是随时间而运动的，这个运动可以是固体物的直线运动或是绕着重心做旋转运动，可以是预定的运动速度，也可以是随着当前时间解的改变而变化的运动速度。边界的新位置由Fluent自动执行更新。Fluent内置的滑移网格技术提供了将静网格区域和动网格区域这两部分网格连接起来的方法。

在进行计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）建模时，选取阀座与阀芯处气流流经的发射阀内流道以及与之相连的管道作为数值仿真的计算域。利用ICEM对所选定的计算区域进行网格划分。划分好的网格模型如图4所示，阀芯处的网格划分放大图见图 5，其中网格节点1 082 356个，网格单元数1 042 270个。

图4　发射阀内流场模型及网格划分Fig.4　Model of interior flow field in launch valve and meshing

图5　发射阀阀芯处网格划分Fig.5　Meshing of launch valve core

1.4边界条件及求解器设置

由于流体介质工况压力较高，前后压差较大，按照可压缩流体计算，采用基于密度的求解器，流体介质采用理想气体模型。求解模型采用剪切压力传输（SST）k-ω模型。将发射阀入口指定为压力入口边界条件，利用涡轮泵发射数学模型求得的发射气瓶出口压力［8］作为压力输入值；发射阀出口使用压力出口边界条件，同样采用涡轮泵发射数学模型求得的涡轮机进气口压力［9］作为压力出口边界条件的设定值，其余均采用壁面边界条件。计算时对流场入口进行初始化处理，时间步长为定步长0.001 s，仿真结束时间为第0.86 s。为了更好地观察流场随着发射阀阀芯运动的变化，可在计算开始前设置相关流场的动画以方便观测整个流场的变化情况。

2　仿真结果及分析

计算结果的分析处理可以使用Fluent中提供的后处理功能，也可以对流场空间分布的显示使用可视化的方法，从而使仿真结果更加直观［10］。由于发射阀内流场仿真属于非定常流动，需要对几个特定的时刻点的瞬态流场进行分析。

2.1仿真结果

1） 阀芯刚开启不久时的流场分布（t=0.05 s）

图6～图11分别是阀芯刚开启不久时的压力云图、速度云图和速度矢量图分布。

图6　z=0竖直平面压力云图（t=0.05 s）Fig.6　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.05 s

图7　y=0水平平面压力云图（t=0.05 s）Fig.7　Pressure contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.05 s

图8　z=0竖直平面速度云图（t=0.05 s）Fig.8　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.05 s

图9　y=0水平平面速度云图（t=0.05 s）Fig.9　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.05 s

图10　z=0竖直平面速度矢量图（t=0.05 s）Fig.10　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.05 s

图11　y=0水平平面速度矢量图（t=0.05 s）Fig.11　Velocity vector diagram of horizontal plane（y=0）when time is 0.05 s

图12　z=0竖直平面压力云图（t=0.4 s）Fig.12　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.4 s

图13　z=0竖直平面速度云图（t=0.4 s）Fig.13　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.4 s

在阀芯刚刚开启的短时间内，从图 6～图 11可以看出，由于阀芯开启面积较小，气体速度极快，阀芯内气体流速达到 660 m/s以上，而阀体内气流速度不明显；阀芯开启时间极短，只有少量的气体通过特形孔进入阀芯部位，所以阀芯压力提高的区域较少，集中在阀芯中间区域，而阀体内压力变化尚不太明显。

2） 阀芯开度达到一半时的流场分布（t=0.4 s）图12～图14分别是阀芯开启一半时的压力云图、速度云图和速度矢量图分布。在阀芯位置由刚开启不久运动到开启一半时，阀芯开启面积增大，进入阀芯内气体增多，压力增大；而气流速度也随着开启面积的增大而相对降低，由此，阀芯处的能量损失也会降低。

3） 阀芯开度达到最大时的流场分布（t=0.8 s）图15～图20分别是阀芯开度达到最大时的压力云图、速度云图和速度矢量图分布。从云图可见，当阀芯运动到位不再移动后，阀体内压力降低，阀芯处压力增高，而气流速度随之降低。

图14　z=0竖直平面速度矢量图（t=0.4 s）Fig.14　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.4 s

图15　z=0竖直平面压力云图（t=0.8 s）Fig.15　Pressure contours of vertical plane（z=0） when time is 0.8 s

图16　y=0水平平面压力云图（t=0.8 s）Fig.16　Pressure contours of horizontal plane（y=0）when time is 0.8 s

图17　z=0竖直平面速度云图（t=0.8 s）Fig.17　Velocity contours of vertical plane（z=0） when time is 0.8 s

图18　y=0水平平面速度云图（t=0.8 s）Fig.18　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.8 s

图19　z=0竖直平面速度矢量图（t=0.8 s）Fig.19　Velocity vector diagram of vertical plane（z=0）when time is 0.8 s

图20　y=0水平平面速度云图（t=0.8 s）Fig.20　Velocity contours of horizontal plane（y=0） when time is 0.8 s

2.2结果分析

从上述瞬态压力云图、瞬态速度云图和瞬态速度矢量图可以看出，当流体通过阀芯特形孔处，流速增大，压力减小，这是由于过流断面面积在阀芯处突然减小导致的。随着时间的推进，发射阀阀体内压力逐渐降低，阀芯处压力逐渐上升，阀芯特形孔处速度随着开度的不断增加而降低。

从各个时间段的压力云图得知，最大压力分布在阀体内部，而在阀芯开口处，压力梯度变化最大，显然发射阀内部流场的压降主要集中在此；从水平平面压力图发现，中间部分的压力高于四周压力，这是由于气体通过 4个特形孔后会由水平运动转为竖直运动，在阀芯中间部位发生碰撞堆积，导致中间部位压力较高。

从各个时间段的速度云图看出，发射阀阀体内部速度均匀，在特形孔处速度加大，阀芯开口稍下方达到最大流速，最小流速出现在主流道贴近壁面的区域；从水平平面速度分布云图也可以发现特形孔处速度较大，而阀芯中间部位发生气体碰撞堆积导致速度降低，并形成了大小不一的漩涡。

从各个时间段的速度矢量图可见，在阀体内部速度矢量分布均匀，同时由于流道结构特性，在特形孔出口贴近壁面处出现了漩涡区；从水平平面速度矢量图发现，阀体环绕阀芯的环形区域中气体分别按顺时针和逆时针方向流向最近的特形孔，通过特形孔汇聚在阀芯中间产生了漩涡，并且在各个特形孔之间的区域也产生了较小的漩涡，可见气体在流道中的流动并不是简单的轴对称 2D流动，这是由于发射阀进气口和出气口各只有一个，这种结构的不对称性导致了流动的不对称，形成了漩涡。

3　结论

文中基于商业计算流体力学软件Fluent对雷弹发射系统应急发射状态下发射阀内流场进行了数值仿真，得到的流场数据可以得到如下结论:

1） 当流体流过过流断面面积突然减小的阀芯处时，流速增大，压力减小；

2） 阀芯开口处压力梯度变化最大，发射阀内部流场的压降主要集中在此；

3） 阀芯内流场中速度最大的区域不在特形孔处，而是在稍下方流场；

4） 阀体环绕阀芯的环形区域中气体分别按顺时针和逆时针方向流向最近的特形孔，并不是简单的轴对称2D流动。

数值仿真中获得的流场数据不仅可以为发射阀流道的优化设计提供理论依据，同时还可为研究雷弹发射系统的振动与气动噪声研究提供参考。

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（责任编辑: 许妍）

Analysis on Flow Field in Launch Valve of Submarine′s Torpedo and Missile Launch System under Emergency Launch Condition

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

The purpose of launch valve in submarine′s torpedo and missile launch system is to control the flow and pressure of gas，so as to ensure the accuracy of launching process.In this paper，a mathematical model of flow field in the launch valve under emergency launch condition is established with commercial CFD software，and the model is simulated by means of the shear stress transmission（SST）k-ωmodel and dynamic mesh technique.Simulation results show detailed and intuitive distributions of transient pressure and transient velocity of the interior flow field at all stages.These results can provide a theoretical basis for optimization design of channels of the launch valve，and can also provide a reference for research of vibration and aerodynamic noise of the submarine launch system.

torpedo and missile launch system；launch valve；flow field simulation；dynamic mesh；emergency launch；aerodynamic noise

TJ635；O352

A

1673-1948（2016）03-0235-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.014

2016-01-07；

2016-01-30.

王贤明（1991-），男，在读硕士，研究方向为水下发射技术.