鱼雷斜入水忽扑现象数值仿真

张岳青, 蔡卫军, 李建辰, 王志杰, 庞 多



鱼雷斜入水忽扑现象数值仿真

张岳青, 蔡卫军, 李建辰, 王志杰, 庞 多

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

针对目前鱼雷入水初始弹道计算不准确的问题, 对鱼雷入水过程中涉及的机理性问题进行了分析。基于无网格的优势, 采用有限元法(FEM)/光滑质点动力学(SPH)耦合方法, 对鱼雷斜入水大姿态运动过程进行了仿真。通过试验数据验证了仿真模型的正确性, 并分析了鱼雷斜入水过程的忽扑现象。计算了不同工况下低压力的数值, 并通过理论公式进行了验证。研究结果表明, 鱼雷斜入水后雷头下部易产生低压效应, 造成大姿态的低头运动。造成忽扑现象的低压力受入水攻角的影响较大, 负攻角工况低压力数值比正攻角大, 且持续作用时间长。所以需要充分考虑低压力的影响, 才能更准确的对鱼雷入水弹道问题进行分析和设计。

鱼雷; 入水; 忽扑现象; 有限元法; 光滑质点动力学(SPH); 耦合方法

0 引言

轻型鱼雷反潜会经历一个复杂的入水过程, 其中雷体的运动、水的运动、空泡内的气体3种介质的运动具有强烈的非定常性, 尤其是斜入水过程中会产生忽扑现象, 对鱼雷入水运动姿态有重要影响, 甚至会造成鱼雷入水后发生翻转和冒水, 直接影响鱼雷的战术性能和作战使用效果。

忽扑现象是鱼雷在斜入水过程中俯仰角速度的阶跃变化量, 在整个鱼雷完全进入水中之前, 忽扑现象对鱼雷入水弹道有着重要的影响[1]。其形成机理是斜入水时雷头下部会产生一个细长的空泡, 高速侵水过程中, 空泡内的压力低于大气压力, 形成低压力, 造成鱼雷入水时所受力矩不平衡, 从而造成鱼雷入水后姿态发生较大变化(见图1)。

由于忽扑现象的复杂性, 目前在理论上还无法圆满解决。国外针对忽扑现象研究主要是以试验方法为主, 国内很少有专门针对忽扑问题的研究, 目前仅见王永虎[2]在研究空投雷弹的入水初始弹道时考虑了忽扑的影响。

国内研究者主要针对不同航行器入水弹道展开研究。严忠汉[3]对鱼雷三自由度纵向姿态运动进行了分析, 得出了入水鱼雷带空泡航行保持姿态运动稳定的条件。颜开等[4]采用Mackey方法,分析了鱼雷流体动力变化特性。陈九锡[5]针对细长体试验模型对布置加速度计位置的限制进行了分析, 提出降低数据处理方程的条件数。徐杏钦[6]建立空泡段弹道数学模型, 对复杂入水条件下的鱼雷空泡段弹道进行了仿真。潘光等[7]研究了高空远程滑翔鱼雷的全弹道, 分析了各阶段弹道的主要特点。程文鑫等[8]采用多相流混合模型及动网格方法, 分析了鱼雷在小入水角条件下的入水弹道。朱珠等[9]基于计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)获得了柱体大攻角入水过程流体动力特性, 分析了入水攻角和速度对入水弹道的影响规律。李永利等[10]采用CFD研究跨介质航行器小角度入水的跳弹现象, 分析了跳弹过程的运动规律。李佳川等[11]分析了高速射弹在不同扰动角速度下的运动规律。

目前, 对于忽扑的机理认识还不清晰, 具体影响因素还不够明确, 尤其是缺少定量的研究分析结果。如果不考虑忽扑机理的影响, 入水弹道的计算结果往往是不够准确的。

1 鱼雷入水仿真模型

鉴于鱼雷入水特点, 鱼雷变形很小, 采用有限单元法(finite element method, FEM)网格, 运用刚体模型实现鱼雷质心、质量、转动惯量、入水角度和速度的仿真, 完成鱼雷多自由度运动分析; 水变形较大, 采用光滑质点动力学方法(smooth- ed particle hydrodynamics, SPH)粒子进行仿真, 运用NULL材料模型和Gruneisen状态方程实现对水的材料属性模拟; 为了实现网格和粒子的相互作用, 在接触界面处需要计算相互作用力

在整个计算域采用施加体力的方式实现重力场的模拟, 仿真模型和坐标如图2所示[12]。

鱼雷入水参数范围假定如下: 入水俯仰角度为10º~20º,方向(水平)入水速度为15~25 m/s,方向(垂直)入水速度为-5~-10 m/s, 入水初始俯仰角速度为-10~-20º/s。

由于鱼雷入水后相互作用而产生低压效应, 此效应最终是通过低压力作用于雷体上, 所以为了仿真模型更准确, 将此低压力耦合到鱼雷与水的界面接触力式(1)中计算, 对鱼雷入水过程进行仿真分析。

2 鱼雷入水过程仿真分析

基于仿真模型和试验条件, 选取其中的典型工况, 对仿真结果和试验数据进行了对比分析。

2.1 俯仰角速度和俯仰角

由图3和图4的仿真值和试验值变化曲线可以看出, 在入水冲击力所产生的力矩作用下, 俯仰角速度先向负方向减小。0.015 s后, 在低压力所产生力矩的作用下, 俯仰角速度迅速负方向增大, 直至0.15 s后俯仰角速度停止增大, 并维持较大的数值, 持续了约0.25 s, 0.4 s时, 俯仰角速度迅速减小。整个过程中俯仰角处于负方向增大状态, 说明鱼雷入水后一直处于低头的运动趋势。仿真曲线与试验曲线最大值和变化趋势比较一致。

2.2 入水冲击加速度

对比分析鱼雷入水冲击加速度仿真曲线和试验曲线(图5和图6)可知, 由于受到水的冲击作用,方向加速度在负方向迅速增大, 作用时间较短, 约0.02 s时达到最大值, 随后方向加速度值逐渐减小。但是方向加速度曲线变化趋势与方向差异较大, 鱼雷入水时首先受到冲击力的作用迅速正向增大, 约0.005 s时增大到最大值, 但是在较强低压力的作用下, 随后迅速减小到零, 并负向增大, 约0.02 s时增大到最大值。之后随着入水阻力的增大, 加速度数值逐渐减小。整个入水过程中仿真加速度曲线与试验曲线变化趋势一致。

综上所述, 俯仰角速度和加速度的仿真数据与试验数据比较一致, 说明仿真模型的正确性, 能准确反映试验中鱼雷真实的入水过程。

如果在仿真模型中, 不考虑低压效应的影响, 仿真结果与试验结果差异较大。鱼雷入水后俯仰角速度是正向增大的, 说明鱼雷入水后是“抬头”的趋势, 与试验中鱼雷的入水过程是相反的(见图7)。方向加速度仿真值与试验值差别也较大(见图8), 尤其是在刚入水时刻, 加速度正向增大, 并缓慢减小, 未出现负值, 说明鱼雷入水后负方向没有其他的力产生, 致使鱼雷出现抬头运动的趋势。通过与试验数据的对比分析, 鱼雷在倾斜入水过程中, 低压力的作用确实是存在的, 而且对入水弹道的影响比较大。

3 低压力计算

由于鱼雷入水过程极其复杂, 入水时的低压力对入水弹道有重要影响, 要准确计算低压力的数值和变化趋势难度较大。结合试验数据和仿真方法, 基于仿真模型通过解耦的方式对不同工况下鱼雷入水过程进行仿真, 以计算真实的低压力。在鱼雷入水诸多影响因素中, 入水攻角对鱼雷入水运动姿态影响较大。因为攻角的不同会造成鱼雷入水后头部下方的空泡形状和持续时间不同, 致使低压力的大小和作用时间不同。所以, 根据不同的入水攻角来区别不同的入水工况, 其中入水攻角参数见表1。

在考虑低压力作用下, 对不同攻角的工况下鱼雷入水过程进行了数值仿真。入水过程中的俯仰角速度曲线的最大值和变化趋势与试验值比较接近(见图9)。不同入水攻角下, 鱼雷入水俯仰角速度差异明显, 随着攻角的减小, 俯仰角速度逐渐增大。力与运动是一致的, 俯仰角速度从鱼雷刚入水时就产生较大的差异, 这是由于鱼雷入水过程中低压力不同造成的。图10为不同攻角下鱼雷入水过程中低压力的仿真数值, 负攻角工况的低压力最大值约为5 kN, 持续时间约为0.25 s, 正攻角工况低压力最大值4.3 kN, 随后逐渐减小,与负攻角工况差异明显。由于负攻角工况的低压力数值较大, 且持续时间较长, 造成俯仰角角速度一直增大, 致使鱼雷入水后一直处于低头运动趋势。

表1 鱼雷入水参数

4 低压力校核

为了进一步校核数值仿真低压力的正确性,通过鱼雷入水过程的空间运动方程组和试验中的弹道数据, 推导得到了鱼雷入水过程的低压力。其中, 鱼雷运动方程组的适用性[13]: 1) 流体动力满足线性假设; 2) 鱼雷外形是平面对称的; 3) 忽略鱼雷的惯性积项; 4) 忽略鱼雷在航行过程的质量变化。则

图11为由鱼雷入水过程空间运动方程组和试验弹道数据推导所得的低压力曲线。力矩增大, 顺时针方向旋转明显, 鱼雷尾部碰到空泡的上壁面, 发生尾击现象, 并产生较大的尾击力。由于此尾击力难以准确计算, 在理论推导过程中没有去除, 所以在推导的低压力数值中, 后期有明显的波动。由于尾击力是瞬时力, 且出现在鱼雷入水后期, 而低压力的作用时间在鱼雷入水0.2 s前, 所以对低压力的推导并没有影响, 不同工况下, 理论推导得到的低压力曲线与数值仿真的低压力曲线数值比较接近, 变化趋势趋于一致, 说明数值仿真低压力数值的正确性。理论推导的低压力数值在0.2~0.3 s时有较明显突变。以工况3为例, 结合鱼雷入水过程可知(见图12), 0.15 s时鱼雷质心刚没入水中, 鱼雷与空泡的下壁面始终接触, 但当0.2 s时, 鱼雷受到俯仰只是在低压力的数值中有所体现。

5 结束语

文中对鱼雷入水过程中的忽扑现象进行了分析, 揭示了低压效应对鱼雷入水运动姿态的重要影响, 并结合试验数据, 计算了不同入水攻角情况下引起忽扑现象的低压力数值, 对于准确预测鱼雷入水初始弹道具有重要意义。鱼雷倾斜入水时, 低压效应对鱼雷法向载荷影响较大。从雷头入水后, 低压效应就开始起作用, 并在低压力的作用下, 造成入水俯仰角速度负向增大, 入水后鱼雷入水姿态呈现低头趋势。入水攻角对鱼雷入水时低压力的影响明显。负攻角工况的低压力最大值约为5 kN, 持续时间约为0.25 s, 正攻角工况低压力最大值4.3 kN, 随后逐渐减小, 与负攻角工况差异明显。分析结果可为鱼雷入水弹道准确计算提供分析依据, 同时为鱼雷弹道设计和结构承载能力设计提供技术支撑。由于目前对于低压力还没有有效的公式进行描述, 后续需要结合鱼雷衡重参数和入水条件的分析对低压力进行进一步的研究。

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(责任编辑: 杨力军)

Simulation on Whip Phenomenon of Torpedo during Oblique Water Entry

ZHANG Yue-qing, CAI Wei-jun, LI Jian-chen, WANG Zhi-jie, PANG Duo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

To solve the problem of inaccurate calculation of torpedo’s initial trajectory, the water entry mechanism of a torpedo is analyzed. Based on the advantage of meshless method, finite element method(FEM)/smoothed particle hydrodynamics(SPH) coupling method is used to simulate torpedo’s large attitude motion process during oblique water entry. The correctness of the simulation model is verified by the experimental data. The whip phenomenon of torpedo during oblique water entry is analyzed, and the values of low pressure under different conditions are calculated and verified by theoretical formula. Results show that when a torpedo is entering into water, the area part under the torpedo head is trend to produce low-pressure effect, resulting in large-attitude downward motion and the whip. The low pressure causing the whip phenomenon is significantly affected by the angle of attack. The low-pressure value is larger and the duration of action is longer in the negative attack angle condition, compared with those in the positive attack angle condition. Therefore, in order to more accurately analyze and design the torpedo trajectory during water entry, the effect of the low pressure is necessary to be considered.

torpedo; water entry; whip phenomenon; finite element method(FEM); smoothed particle hydrodynamics(SPH); coupling method

TJ630.1; TB71.2

A

2096-3920(2018)02-0146-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.008

张岳青, 蔡卫军, 李建辰, 等. 鱼雷斜入水忽扑现象数值仿真[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(2): 146-151.

2017-09-04;

2017-11-06.

张岳青(1984-), 男, 博士, 高工，主要研究方向为冲击动力学及流固耦合.