应急发射时不同发射阀芯结构内流场对比分析

陈炜彬，　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）

应急发射时不同发射阀芯结构内流场对比分析

陈炜彬，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）

程控阀能否在应急条件下完成发射任务是保证战时鱼雷发射成功与否的关键。为探究阀芯在应急条件下能否保证较好的发射品质， 文中运用 FLUENT对 3种阀芯结构的内流场进行了有限元仿真， 分析得出了双梯形-双矩形阀芯结构能够有效减少能量在通过阀芯时的损耗， 从而可以有效提升发射品质， 可为进一步优化发射过程能量的瞬态注入与控制， 进而降低发射过程的瞬态噪声提供参考。

鱼雷； 程控阀； 应急发射； 内流场

0　引言

程控阀作为一种与集散控制系统（distributed control system， DCS）或可编程逻辑控制器（programmable logic controller， PLC）相连， 通过程序实现对液路或气路开启面积的精确控制阀，已被广泛的运用于各行各业。

在涡轮泵发射装置中［1］， 程控阀被用来控制进入涡轮的气量， 从而实现对武器内弹道准确控制， 保证武器正常发射。在正常作战条件下， 程控阀能够在程序的有效控制下工作， 但在战时可能会出现无法供电的情况， 此时为实现武器发射，阀芯只能按固定的速度匀速开启， 这时不同的阀芯结构将直接影响到阀芯开启面积的变化规律。张孝芳［2-3］运用 FLUENT对一种机械发射阀进行了内流场仿真， 得到了阀内部流场规律， 并通过对比解析结果验证了其仿真的正确性。文中针对应急发射这一工况， 用FLUENT分别对3种阀芯结构开启过程进行动态内流场仿真分析， 对比分析得到了一种较优的阀芯结构。

1　模型的建立

1.1发射阀芯结构

发射阀芯结构如图 1所示。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的发射。文中选用 3种不同阀芯结构进行对比分析。不同阀芯结构如图2所示。3种阀芯结构的发射阀开启面积变化规律如图3所示。

图1　发射阀阀芯结构图Fig. 1　Structure of launching valve core

图2　不同阀芯结构Fig. 2　Structures of different valve cores

图3　不同阀芯开启面积变化规律Fig. 3　Curves of open area versus time for different valve cores

1.2网格划分和动网格

数值仿真过程中网格划分是最重要的一步，它是保证仿真能够精确进行并得到准确结果的前提。模拟程控阀在工作过程的各项指标和内流场分布情况， 必须使用动网格技术［4-10］。通过动网格可以模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。边界的运动形式可是预先定义的运动（可在计算前指定其速度或角速度）， 也可以是预先未作定义的运动（边界的运动要由前一步的计算结果决定）。网格的更新过程由FLUENT根据每个迭代步中边界的变化情况完成。

鉴于使用自动四面体网格进行划分将使网格无法兼顾精度和数量， 如果按阀芯的尺寸来划分将造成网格数量太多， 按阀体的尺寸来划分， 在阀芯这个重点研究的区域就无法得到精细的网格，同时网格的质量也无法保证， 最重要的是， 如果采用四面体网格， 计算过程中网格的更新方法只能是占用更多计算资源的弹性光顺法或网格重构法， 所以为了兼顾网格质量和数量， 同时可以使用占用计算资源少的铺层法， 结合几何形状较为规整的特点， 选用全六面体网格划分方式对阀的内流道进行网格划分。

在进行FLUENT建模时， 如图选取足够长度的管道和整个阀体内部流道作为数值仿真的计算域。并利用ANSYS自带的ICEM对模型进行六面体网格的划分， 划分好的网格模型如图4所示。

图4　发射阀内流场模型及网格划分Fig. 4　Internal flow field model of launching valve and meshing

1.3边界条件及求解器设置

在实际工作过程中， 气瓶中的气体压力高，但通过发射阀时有一个较大的压降， 在这个过程中气体膨胀， 故使用可压流体进行计算。采用基于密度的求解器， 选用理想气体模型， 可以较为真实地模拟阀的开启过程中气体在阀芯内的流动。发射阀开启后， 发射气瓶内的压力随气体的流失而下降， 故将数学模型计算求得的气瓶出口压力作为入口边界条件， 出口边界条件设置为数学模型计算求得的涡轮机进口压力， 其余的面设置为壁面边界条件。

仿真时间设置为0.86 s， 时间步长设置为0.001 s，同时可以设置相关的一些动画， 以便在仿真过程中实时地观察流场的变化情况。仿真开始时对入口进行必要的初始化处理。

2　仿真结果及分析

为了分析不同阀芯的内流场在发射过程中的特性， 截取几个不同时刻的速度和压力场分布云图进行对比分析。在图 4中， 通过阀芯中轴线且平行纸面的面为云图截面。

2.1仿真结果

1） 图 5、图 6分别展示了不同阀芯结构在t=0.225 s时内流场的压力和速度分布云图。

图5　不同阀芯结构压力场分布（t=0.225 s）Fig. 5　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.225 s）

图6　不同阀芯结构速度场分布（t=0.225 s）Fig. 6　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.225 s）

从图5可以看出， 截止0.225 s， 3种阀芯的开度由大到小依次为: 矩形、双梯形-双矩形、梯形-矩形。由于矩形阀芯结构开度最大， 低压区同高压区的连通面积大， 单位时间内更多的高压气体进入阀芯， 造成矩形阀芯内部流场压力大且分布范围广， 最高压力达到 10 MPa； 双梯形-双矩形阀芯结构虽然开始时阀芯开口与矩形结构一样，但是随后由于进入第1个梯形区开度增长变缓， 其高压区面积与最大压力都略小于矩形阀芯， 最高压力仅为8 MPa； 此时， 梯形-矩形结构阀芯开口面积在3种阀芯中最小， 压力大小以及高压区面积也都是最小。

从图 6可以看出， 此刻， 阀芯内部气体流速最大的是开度最小的梯形-矩形阀芯， 速度可达650 m/s， 而开度最大的矩形阀芯的流速相对要小一些， 大概在600 m/s。从压力场的分析可以看出，阀芯内部压力最高的是矩形阀芯， 这就造成了较小的压力差， 气体从阀芯外流到阀芯内所获得的动能相对较小， 所以流速较低。同时流速最大处是在 2个进口形成的涡的中心， 这是由于气体在这里堆积， 由于流体的挤压效应， 在阀芯中部形成高速区。

2） 图 7、图 8分别展示了不同阀芯结构在t=0.4 s时内流场的压力和速度分布云图。

图7　不同阀芯结构压力场分布（t=0.4 s）Fig. 7　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.4 s）

图8　不同阀芯结构速度场分布（t=0.4 s）Fig. 8　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.4 s）

从图 7可以看出， 此刻， 阀芯开度由大到小依次为: 矩形、梯形-矩形、双梯形-双矩形。可以看到前2种阀芯的进气压力已出现明显下降， 同时这也使阀芯内部的压力梯度变大。而双梯形-双矩形阀芯由于开度增长慢， 气瓶压力损耗较小，入口压力变化不大， 从而使得阀芯内部的压力梯度分布较为均匀。

从图8可以看出， 在t=0.4 s时刻， 内流场速度保持最好的是双梯形-双矩形阀芯， 因为其开度增长较慢， 通过压力云图可以看出其压力保持较好， 使得速度变化较小。而其他 2种阀芯的速度都有明显的下降。

3） 图 9、图 10分别展示了不同阀芯结构在t=0.8 s时内流场的压力和速度分布云图。

图9　不同阀芯结构压力场分布（t=0.8 s）Fig. 9　Pressure field distribution of different valve core structures （t=0.8 s）

图10　不同阀芯结构速度场分布（t=0.8 s）Fig. 10　Velocity field distribution of different valve core structures （t=0.8 s）

从图9可以看出， 相较于矩形结构和梯形-矩形结构， 双梯形-双矩形阀芯内流道压力分布相对均匀， 压力波动较小， 同一压力区域连成一片，且其阀芯内流场的压力略高。

从图 10可以看出， 矩形结构发射阀阀芯内流速最大， 且局部高流速分布区域较大。相较于矩形结构和梯形-矩形结构， 双梯形-双矩形阀芯内最高流速有了明显下降， 局部最高流速下降了50 m/s， 并且局部高流速区域明显减小。

2.2结果分析

通过上述对不同时刻阀芯内部流场压力和速度的分析， 发现整个发射过程中阀芯开度的大小对于阀芯内压力和速度场分布影响较大。

对比3种阀芯的内流场变化， 可以看到双梯形-双矩形阀芯在开始阶段具有与矩形阀芯相同的开度， 保证阀芯内部压力和进气量的迅速增大，同时在 0.2 s左右进入梯形区域， 开度增长变缓，减缓气流流量的增长， 使得气瓶内的气压相对平稳下降， 同时在阀芯内形成一个较为稳定的压力和速度场。这个过程保证了进入涡轮气量的稳定，同时减少了气体在大压力梯度流动过程中产生一些不必要的涡， 减少了能量的损耗， 保证了和矩形阀芯具有相当能量的输出。

经过以上对比分析可知， 双梯形-双矩形阀芯结构在稳定流动时减小了阀体内的流速， 使阀芯内压力分布均匀， 减小了高湍流动能区域， 降低了系统能量损耗。这个特性对降低发射噪声的意义是重大的， 由于能量利用率较高， 相同的能量输出量下需要的气体较少； 同时较为平稳的气体进入涡轮机就意味着较为平稳的排气， 这样有利于降低涡轮的排气噪声， 提高鱼雷发射时潜艇的隐蔽性。

用新型的双梯形-双矩形阀芯， 在原有发射阀上进行集成替换。采用假海试验站的试验设施，进行了实发试验。图11与图12是对2种发射阀芯武器速度与不同气瓶初始压力武器速度进行无量纲化处理后的趋势变化示意图。如图 11所示，在相同的初始气瓶压力下， 原阀芯和双梯形-双矩形阀芯最后的出管速度都是相近的（为控制射流辐射噪声［11］， 通常出管速度略大于最低出管速度）， 同时可以看到新型阀芯的速度略大于原阀芯， 从阀芯开口面积可得， 新型阀芯的用气量低于原阀芯。综上所述， 双梯形-双矩形阀芯能有效降低流道损失， 在减少用气量的同时保证正常发射。而通过图12可知， 在不同的初始气瓶压力下，发射速度曲线在很小的范围内波动， 能保证武器的安全出管， 证明了双梯形-双矩形阀芯在应急发射条件下具有较好的鲁棒性， 能够适应发射气瓶压力在一定范围内波动的应急发射条件。

图11　2种发射阀芯武器速度变化趋势Fig. 11　Speed changing trend of two kinds of valve cores

图12　不同气瓶初始压力武器速度变化趋势Fig. 12　Speed changing trend at different initial pressure in gas cylinder

3　结束语

文中通过FLUENT对应急发射状态下， 3种发射阀阀芯的内流场分别进行了数值仿真。通过对不同阀芯的流场特性的分析， 得出了一个具有较优流道特性的发射阀芯， 并通过试验验证了新型阀芯可以有效地减少能量在注入和转化过程的损耗， 进而有效降低发射过程的瞬态噪声。文中研究成果对于进一步研究优化发射过程能量的瞬态注入与控制， 进而降低发射过程的瞬态噪声具有重要意义。

［1］ 段浩， 李经源. 鱼雷发射技术［M］. 北京: 国防工业出版社， 2015.

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（责任编辑: 许妍）

Analysis on Internal Flow Fields in Different Launch Valve Core Structures in Emergent Launching Condition

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

A program-controlled valve， which can complete launch mission in emergent condition， is vital to ensure successful launching of a torpedo in war. To explore whether the valve core can keep good launching quality in emergent conditions， the finite element simulation software FLUENT is employed to simulate the internal flow fields in three kinds of valve core structures. Contrast analysis show that the double trapezoidal-double rectangular valve core structure can effectively reduce the loss during energy going through the valve core， hence enhance launching quality. This research may provide a reference for further optimization of transient energy injection and control as well as reduction of transient noise during launching process.

torpedo； program-control valve； emergency launching； internal flow field

TJ635； TH134

A

1673-1948（2016）05-0390-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.014

2016-06-07；

2016-07-07.

陈炜彬（1991-）， 男， 在读硕士， 主要从事鱼雷发射技术研究.