航行器水下分离特性研究

肖前进,夏兴隆,钱家昌,刘华坪,周 奇

航行器水下分离特性研究

肖前进1,夏兴隆1,钱家昌1,刘华坪2,周 奇2

(1.武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉,430064; 2.华中科技大学 航空航天学院,湖北 武汉,430074)

航行器水下分离特性是航行器水下发射成功与否的关键。文中针对悬浮状态下浮筒平台与航行器的水下发射分离问题,基于流体体积函数(VOF)多相流模型和动网格技术,仿真研究了弹射气体压力和温度对发射过程航行器及浮筒平台水动力特性和运动特性的影响规律。结果表明: 弹射气体压力对尾出筒时航行器和浮筒平台的相对位移量影响较小,位移比例基本与其质量反比例相同; 尾出筒后水动力波动与冲击峰值随着弹射气体压力增加而增大; 弹射气体温度对出筒过程运动特性影响较小,而出筒后水动力波动随气体温度的升高而增大。

航行器; 分离特性; 浮筒平台; 压力; 温度

0 引言

水下发射过程是水下航行器研究和设计的重点和难点之一[1]。航行器水下发射分离通常是将高压高温燃气通入航行器底部,并将航行器弹射分离[2-4]。在分离过程中,航行器尾部喷射气流与周围流体的相互作用,可能对航行器尾部载荷及出筒姿态产生影响,严重时将会导致航行器失稳,从而丧失任务执行能力。因此,研究航行器的水下分离特性具有重要的工程意义及实用价值。

针对水下发射分离过程,国内学者从不同角度进行了研究。高娜[5]运用动网格技术,对发射过程进行了非定常数值仿真计算,给出了筒内压力、温度和马赫数等参数的变化规律。马辉[6]通过Fluent软件的二次开发,研究了水下发射装置筒壁开孔形状及面积对航行器出筒过程的影响。李强[7]针对水下航行器连续垂直发射过程,详细分析了航行器出筒过程的空泡形态及运动轨迹的变化规律,探讨了出筒速度、发射时序及潜艇运动速度对发射过程的影响。顾媛媛[8]建立了水下筒式发射分离过程的动力学模型,分析了分离时浮筒和航行器的受力变化特性。陈玮琪[9]基于势流理论和细长体理论,针对水下发射过程中航行器空泡、自由面与筒口气团的相互作用,建立了相互耦合的动力学模型,并展开相关理论研究。程栋等[10]针对筒口射流问题建立了非定常多相流场模型,对筒口燃气射流分布规律进行了研究。刘富强等[11]采用流体体积函数(volume of fl- uid,VOF)多相流模型、动网格及移动计算域技术,对并列超空泡弹射弹道特性进行了研究。刘华坪等[12]采用VOF多相流模型和动网格技术,分析了头型对鱼雷入水最大冲击载荷特性的影响。

但以上研究大都没有考虑航行器在分离过程中的动态响应问题,这主要是因为搭载平台的体量要远远大于航行器。文中针对悬浮状态下浮筒平台与航行器的水下发射分离问题,基于VOF多相流模型和动网格技术,构建了航行器水下分离二维轴对称简化模型,通过数值仿真方法,详细研究弹射气体压力和气体温度对发射过程航行器及浮筒水动力特性和运动特性的影响规律,为航行器水下分离动力参数设置提供参考。

1 研究对象及计算方法

1.1 研究对象

浮筒位置和浮筒结构示意图分别如图1和图2所示。通过底部弹射气体实现发射,而后浮筒平台在重力、浮力、水动力和弹射反冲力作用下向下运动,而内部航行器则在底部气体弹射力和水动力及重力的共同作用下向上运动,从而实现二者分离。浮筒平台与航行器的质量比为4.21∶1,初始时刻整个系统的质量与其浮力相同,即处于悬浮状态。

1.2 计算方法

为简化计算量,构建了航行器水下分离二维轴对称简化模型。采用结构化网格,对浮筒平台及航行器壁面附近网格进行了局部加密,总网格数约为2×105个,模型计算网格示意图如图3所示。动态分离过程中采用动网格技术,通过重构和层变进行各子体运动后网格的更新。

图1 浮筒位置示意图

图2 浮筒结构示意图

图3 模型计算网格

图4 弹射气体压力曲线

2 仿真结果与分析

2.1 发射过程流场演化

图5 流场演化

图6 尾出筒初期筒口压力波动云图

2.2 弹射气体压力对分离特性的影响

在航行器尾出筒后,由于筒口瞬间泄压,航行器尾部压力减小,其“推力”减小,但仍大于重力和沾湿表面的流体阻力,故航行器速度继续增加,但加速度减小,体现为速度曲线上斜率减小。弹射气体压力越小,出筒速度越小,筒内段时间越长。

从图8航行器受力特性来看,航行器合力与前文筒底弹射气体压力曲线变化趋势基本相同,且尾出筒后合力急剧下降,尤其是筒内压力越大,筒口气体膨胀越剧烈,合力下降越明显。由于航行器出筒过程的运动特性主要取决于其冲量的变化,进一步对尾出筒前压力随时间进行了积分,对比了不同弹射气体压力曲线下的航行器和浮筒平台无量纲总冲量变化,如图9所示。

图8 航行器受力曲线

图9 不同弹射气体压力下尾出筒时刻总冲量曲线

由图9可知,随着弹射气体压力的增加,航行器和浮筒平台的总冲量变化相反: 航行器所受的总冲量基本线性增加,而浮筒平台则显著减小。结合前文中模型说明及不同压力条件下的出筒时间变化可知,由于浮筒平台的内筒尺寸远小于外筒尺寸,因此其受弹射气体反冲力后向下运动时必然受到较大的水的阻力,相当于减小浮筒平台向下的合力; 此外,随着其压力增加,航行器筒内运动时间减小。基于以上2种因素的影响,浮筒平台所受的总冲量也必然减小。

图10 浮筒平台运动特性随时间变化曲线

图11给出了浮筒平台壁面受力分量随时间的变化曲线,其中“bot”包含浮筒底部和外侧壁面,“top”包含顶部上表面和内筒侧壁面,在尾出筒之前,筒外面底部+侧壁的水动力与浮筒顶部上表面的水动力之差基本不变,即浮筒所受的水动力基本不变。因此,合力的变化主要是筒底喷流反冲力的变化所致。尾出筒后,筒口瞬间泄压后气体膨胀/收缩导致流场波动,不仅影响筒口附近位置,且由于水的不可压缩性,该扰动将被传播至浮筒平台底部,影响该区域的水动力。此外也表明了弹射气体压力越大,尾出筒后筒口水动力波动越大。

图11 浮筒平台壁面受力特性曲线

图12给出了3种弹射气体压力下航行器和浮筒平台无量纲位移特性对比,其中,时间以尾出筒时刻作为无量纲参数,运动特性以尾出筒时刻航行器和浮筒相对位移作为无量纲参考量。

图12 无量纲位移随时间变化曲线

由图12可以看出,3种弹射气体压力下无量纲运动曲线重合,而由于总冲成比例增加,因此各运动子体的相对位移特性主要取决于其质量特性。由图12还可知,浮筒平台运动位移之比1/2=4.185,而两子体的质量比则为2/1=4.21,因此,出筒过程浮筒与航行器位移与质量基本上成反比。

2.3 弹射气体温度的影响

进一步研究2种弹射气体温度的影响,其温度分别为=500,300 K。从图13运动特性对比曲线可以看出,筒内阶段弹射气体温度对航行器及浮筒平台的运动特性的影响较小,这是由于筒内速度较低,在尾出筒前其航行器筒内压力基本与弹射气体总压相同,因此温度的影响必然较小。而在尾出筒后,当弹射气体温度较高时,由于气体的内能大,气流在筒口外膨胀而后冲击航行器底部时,更多内能转化为压力能,从而增加了航行器指向水面的合力(见图14),因此其速度也略大。浮筒平台由于质量较大,燃气泄压虽然对筒口水动力具有影响,但对其运动特性的影响相对较小,其变化明显小于航行器速度变化。

图13 运动特性对比曲线

3 结论

航行器水下分离特性是航行器水下发射成功与否的关键。文中围绕悬浮状态下浮筒平台与航行器的水下分离问题,采用VOF多相流模型及动网格技术,对航行器的水下分离过程进行了动态数值仿真,得出以下结论。

1) 出筒时航行器和浮筒平台的相对位移量均不随弹射气体的压力而变化,尾出筒时刻航行器和浮筒位移比例与其质量反比例基本相同,这也是动量守恒原理的体现,二者不完全符合是因为分离过程中水、气的扰动。

图14 合力特性对比曲线

2) 尾出筒后筒口泄压,产生局部压力波动与冲击,航行器及浮筒平台的受力波动均随着弹射气体压力的增加而增大。

3) 弹射气体温度对出筒前航行器及浮筒平台的运动与受力特性的影响均较小; 温度越高,尾出筒后初期冲击力波动越大。

由于对物理建模进行了二维简化,文中的研究与实际三维流场和多自由度运动还存在一些差别,后续将通过分离试验验证数值仿真结果的准确性。

[1] 申丽辉. 航行器水下及出水过程的流体特性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2013.

[2] 鲁传敬,陈方,樊泓,等. 导弹水下点火的流体动力研究[J]. 航空学报,1992,13(4): 124-130.

Lu Chuan-jing,Chen Fang,Fan Hong,et al. The Fluid Dynamic Research on the Underwater Ignition of Missile[J]. Acta Aeronautical et Astronautical Sinaca,1992,13(4): 124-130.

[3] 王鹏,宁腾飞,孟鹏. 航行器水下点火三维流场数值模拟[J]. 西北工业大学学报,2012,30(6): 803-807.

Wang Peng,Ning Teng-fei,Meng Peng. Computing Flow Field in Igniting Autonomous Underwater Vehicle Using Three-dimensional Grids[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University,2012,30(6): 803-807.

[4] 崔可. 航行器出筒以及水下运动的水动力研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2012.

[5] 高娜. 导弹水下发射内流场的数值模拟[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学,2007.

[6] 马辉. 水下航行器弹射式发射装置筒壁开孔对内弹道的影响[J]. 鱼雷技术,2016,24(4): 314-319.

Ma Hui. Influence of Tube Opening on Internal Trajectory of Underwater Vehicle Launcher with Ejection Mode[J]. Torpedo Technology,2016,24(4): 314-319.

[7] 李强. 水下航行器连续垂直发射出筒过程多相流动特性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2018.

[8] 顾媛媛. 浮筒水面多体分离动力学仿真[D]. 北京: 中国舰船研究院,2018.

[9] 陈玮琪. 水下发射航行器空泡、气泡和自由面相互影响的理论研究[J]. 船舶力学,2017,21(8): 929-940.

Chen Wei-qi. Theoretical Study of the Interaction of the Underwater-vehicle Cavity,Free Surface and Gas Bubble in Launching[J]. Journal of Ship Mechanics,2017,21(8): 929-940.

[10] 程栋,陈飞宇,卢丙举,等. 筒口气体喷射对水下航行器降载影响研究[J]. 水下无人系统学报,2020,28(4): 382-388.

Cheng Dong,Chen Fei-yu,Lu Bing-ju,et al. Effects of Gas Jet at Tube Outlet on Load Reduction of Undersea Vehicle[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems,2020,28(4): 382-388.

[11] 刘富强,罗凯,黄闯,等. 并列超空泡射弹弹道特性研究[J]. 水下无人系统学报,2020,28(2): 202-208.

Liu Fu-qiang,Luo Kai,Huang Chuang,et al. Study on Ballistic Characteristics of the Parallel Supercavitating Projectiles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems,2020,28(2): 202-208.

[12] 刘华坪,余飞鹏,张岳青,等. 不同头型鱼雷入水冲击载荷研究[J]. 水下无人系统学报,2018,26(6): 527-532.

Liu Hua-ping,Yu Fei-peng,Zhang Yue-qing,et al. Analyzing Water-Entry Impact Load on Torpedo with Different Head Types[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems,2018,26(6): 527-532.

Undersea Vehicle Separation Characteristics

1,1,1,2,2

(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China; 2.School of Aerospace Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

The characteristics of underwater separation are crucial to the success of the launch of an undersea vehicle. In this study,the underwater separation of the vehicle and barrel platform in suspend-state is investigated. The influence of ejection gas pressure and temperature on the hydrodynamic and motion characteristics of the vehicle and barrel platform during the launch is numerically simulated using a fluid volume function(VOF) multiphase flow model and dynamic mesh. The results show that the ejection gas pressure has little effect on the relative displacement between the vehicle and the barrel platform when the tail exits the barrel. Furthermore,the displacement ratio is the same as the inverse ratio of its mass. The hydrodynamic fluctuation and impact peak increase with the ejection gas pressure after the tail exits the barrel. Moreover,the temperature of ejection gas has no significant influence on the motion characteristics during the ejection. The hydrodynamic fluctuation increases with gas temperature after ejection.

undersea vehicle; separation characteristics; barrel platform; pressure; temperature

TJ630; U661.1

A

2096-3920(2021)04-0477-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.016

肖前进,夏兴隆,钱家昌,等. 航行器水下分离特性研究[J]. 水下无人系统学报,2021,29(4): 477-482.

2020-10-30;

2020-11-19.

肖前进(1986-),男,博士,高级工程师,主要研究方向为水下无人系统总体设计技术.

(责任编辑: 杨力军)