白照高，崔鑫山

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710075;2.中國船舶重工集團(tuán) 第七〇五研究所，陜西 西安 710075)

魚雷海水管路的流體力學(xué)分析

白照高1，崔鑫山2

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710075;2.中國船舶重工集團(tuán) 第七〇五研究所，陜西 西安 710075)

管路系統(tǒng)的輻射噪聲在軍事上已成為衡量現(xiàn)代魚雷總體先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。針對魚雷海水管路脈動(dòng)壓力大、引發(fā)輻射噪聲顯著的特點(diǎn)，本文利用流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行分析，得出流體速度與管壁壓力隨入口流量的變化規(guī)律，總結(jié)了引起脈動(dòng)壓力變化的原因。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:管路設(shè)計(jì)中應(yīng)避免使用彎管，減小壓力脈動(dòng)。

管路系統(tǒng);脈動(dòng)壓力;流體分析

0 引言

魚雷隱身攻擊是指在不被攻擊目標(biāo)發(fā)現(xiàn)情況下實(shí)現(xiàn)魚雷的發(fā)射、航行、探測和攻擊。隱身攻擊技術(shù)、制導(dǎo)技術(shù)和動(dòng)力技術(shù)共同構(gòu)成現(xiàn)代魚雷3大標(biāo)志性技術(shù)。制導(dǎo)技術(shù)決定魚雷的精確打擊能力，動(dòng)力技術(shù)決定魚雷的打擊范圍，隱身攻擊技術(shù)則決定發(fā)射平臺(tái)的生存性及魚雷的攻擊效果。

迄今為止，攻擊目標(biāo)發(fā)現(xiàn)魚雷只能通過水聲場探測魚雷的輻射噪聲，魚雷輻射噪聲不僅決定魚雷線導(dǎo)導(dǎo)引精度、攻擊隱蔽性和攻擊目標(biāo)的逃逸、反制時(shí)間，直接影響魚雷的命中概率，還關(guān)系到發(fā)射平臺(tái)的隱蔽性和安全性。因此，為了提高魚雷的作戰(zhàn)性能，必須有效降低其輻射噪聲。

魚雷管路系統(tǒng)用于傳輸海水、燃料、液壓油等流體介質(zhì)。管路系統(tǒng)不僅傳遞結(jié)構(gòu)振動(dòng)，其內(nèi)部的流體介質(zhì)還會(huì)攜帶著壓力脈動(dòng)到各個(gè)艙段，導(dǎo)致各艙段殼體振動(dòng)，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)輻射噪聲，且流體壓力脈動(dòng)還會(huì)通過海水管路直接對外輻射噪聲。所以，為了有效降低魚雷噪聲，必須針對海水管路振動(dòng)特性及其內(nèi)部流體壓力脈動(dòng)特性開展研究，有效降低海水管路輻射噪聲。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的理論，利用流體力學(xué)商業(yè)軟件FLUENT對海水管路進(jìn)行了壓力脈動(dòng)仿真分析，以魚雷管路系統(tǒng)內(nèi)部流場為研究對象，獲得了穩(wěn)定入口速度下的流場分析結(jié)果，同時(shí)輸出管路壁面的壓力值和速度分布情況，對波紋管段消減壓力脈動(dòng)的效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，找出影響流量脈動(dòng)的因素，為管路設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 海水管路壓力脈動(dòng)形成機(jī)理

管道傳輸流體需要齒輪泵加壓做功，這種加壓是間歇性的，由于間歇加壓，管道內(nèi)的壓力在平均值上下波動(dòng)(脈動(dòng))，即產(chǎn)生所謂的壓力脈動(dòng)，流體處于脈動(dòng)狀態(tài)，脈動(dòng)狀態(tài)的流體遇到異徑管、控制閥、彎頭等管道元件，產(chǎn)生一定隨時(shí)間變化的激振力，在這種激振力作用下管道和設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)。它是引起管道及其附屬設(shè)備振動(dòng)的主要原因［1－3］。

所以，如何控制壓力脈動(dòng)，使它處于允許值范圍內(nèi)，是解決管道振動(dòng)的根本辦法，對壓力脈動(dòng)仿真分析和計(jì)算可以為管道系統(tǒng)地優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

2 靜壓脈動(dòng)仿真模型

本次分析以管路系統(tǒng)內(nèi)部流場為研究對象，采用三維CFD軟件FLUENT計(jì)算分析流體沿管路的流動(dòng)情況，得出流場的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，同時(shí)輸出管路壁面的壓力值及管路內(nèi)部速度云場分布圖，并就管路各段的壓力損失值進(jìn)行了比較。

2.1 計(jì)算模型

圖1是整個(gè)海水管的三維外觀圖，而本文研究對象主要是管路內(nèi)部流場，圖2是整個(gè)海水管內(nèi)部流體示意圖。

2.2 網(wǎng)格劃分

在CFD中，網(wǎng)格單元類型的選擇關(guān)系到計(jì)算效率和計(jì)算精度，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量少，單元變形特性好，可以很好地控制流向性分布及邊界層方向的正交性，具有其他網(wǎng)格無法比擬的優(yōu)勢［4］。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文主要采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，海水管路內(nèi)部網(wǎng)格劃分如圖3所示。

為更好地保證網(wǎng)格質(zhì)量，提高求解精度，對邊界層進(jìn)行了加密，采用O形網(wǎng)格技術(shù)來生成六面體的邊界層單元。O形網(wǎng)格如圖4所示。

2.3 計(jì)算方法

按照海水管路的尺寸建模，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總量在58萬個(gè)左右，其中包括1 827 878個(gè)faces和643 187個(gè)nodes。在FLUENT中對管道內(nèi)部流動(dòng)狀況進(jìn)行模擬時(shí)，邊界條件采用如下設(shè)置，其他采用默認(rèn)設(shè)置。

1)進(jìn)口:流量進(jìn)口分別為2.94 m/s;

2)出口:自由射流出口(outflow);

3)湍流模型:K-epsilon(2 eqn)，湍流強(qiáng)度為10%，水力直徑為管道直徑;

4)管壁:無滑移壁面;

5)收斂標(biāo)準(zhǔn):平均殘差在1e－4以下;

6)流體屬性:密度為998.2 kg/m3，黏度等于1e－03;

7)離散格式:二階迎風(fēng)格式，絕對穩(wěn)定且精度較高;

8)壓力與速度耦合:SIMPLEC算法。

3 靜壓脈動(dòng)仿真結(jié)果分析

3.1 海水管的壓力場分析

利用FLUENT 3D求解器對流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，運(yùn)行1 000步迭代，計(jì)算到800步收斂，收斂殘差1e－4。海水管的壓力云圖如圖5～圖8所示。

壓力損失是指海水管入口與出口之間的氣體壓力之差。海水管路在具有良好的降噪功能的同時(shí)，必須具有較小的壓力損失。管路的壓力損失越大，輸出功率越小且能耗越高。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)引起的壓力損失，管道折彎和截面等處結(jié)構(gòu)變化盡量緩和，以免造成壓力損失過大。

通過各個(gè)壓力云圖，可得到以下結(jié)論:

1)管路入口段壓力明顯比較大，達(dá)到5.44e+04 Pa;

2)拐彎處由于流體加速，出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)。彎曲半徑越小的壁面壓力越低，在90°的拐彎處，壓力梯度在徑向方向呈明顯的階梯狀分布(如圖7所示);

圖8 波紋管壓力云圖Fig.8 Pressure distribution of the bellow

3)海水管削減壓力的作用比較明顯，從圖5和圖6可以看出，整個(gè)海水管路壓力遞減趨勢層次清楚，波紋管中間處的壓力為2.27e+04 Pa，接近海水管入口處壓力的一半，出口管路由于管路截面增大，在彎管上端存在局部高壓，彎管下端存在低壓區(qū)，產(chǎn)生流動(dòng)漩渦，整體管路壓力變化不大，約為4.47e+02 Pa。壓力梯度不明顯;

4)從圖8可以看出，帶波紋的海水管路中間段壓力變化明顯，波紋的存在使得產(chǎn)生壓力損失，造成壓力進(jìn)一步減小，出口處的壓力接近入口處的1/10，由此可以證明波紋管削減壓力的效果明顯。

從管壁壓力云圖可以看出，海水管內(nèi)部壓力從入口端面到出口端面呈階梯狀依次降低，這種壓力梯度有利于流體在腔內(nèi)流動(dòng)，從而達(dá)到消減壓力脈動(dòng)的效果。海水管各段的壓力損失值見表1。

表1 海水管各段的壓力損失Tab.1 The pressure loss of seawater pipe

從表1可以看出，90°彎管的壓力損失最大，波紋管段次之，直管段壓力損失最小。對于90°彎管，拐彎處由于流體加速，從進(jìn)口射出的高速流體與波紋管段的低速流體相互沖擊形成湍流，在拐彎處形成較大的渦流和回流，造成壓力損失。

當(dāng)流體從波紋管段流入流出時(shí)，由于波紋的存在，期間流通截面發(fā)生連續(xù)變化，致流動(dòng)狀態(tài)突變，產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，從而消耗能量，進(jìn)一步產(chǎn)生壓力損失。

在直管段，管路內(nèi)壁截面均勻，流速和壓力沒有顯著變化，產(chǎn)生的壓力損失也最小。

流體由于離心力在90°彎管弧處形成2次旋流，致使流場發(fā)生明顯的紊流變化，導(dǎo)致速度值發(fā)生明顯變化，流體分子相互碰撞，由此造成壓力值明顯減小，即是彎管壓力損失的主要原因。

3.2 海水管速度場分析

在進(jìn)口流量為2.94 m/s、出口為自由射流的工況下，海水管路中間截面和入口的速度云圖如圖9和圖10所示。

由圖中可以看出:

1)在彎管段，速度場的變化跟壓力場正好相反，壓力變大的區(qū)域速度明顯變小，這是由于彎管處流體明顯加速所致;

2)在波紋管段，管路中心速度最大，達(dá)到8.07 m/s，流體出現(xiàn)一定程度的湍流現(xiàn)象，速度沿徑向方向不斷減緩，在管路壁面處速度減小為0;

3)在海水出口的拐彎段，由于管路橫截面積變大，使得靠近管路上壁面的部分出現(xiàn)速度明顯減小的區(qū)域，而中心處流速較大，此處會(huì)產(chǎn)生很大程度的回流現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文主要從流體動(dòng)力學(xué)角度對海水管進(jìn)行了研究，分析了流體的速度以及壓力損失隨管道形狀的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論:

1)在管路設(shè)計(jì)中，從減小管道壓力損失、降低管路噪聲角度出發(fā)，盡量避免急轉(zhuǎn)彎，力求彎管的曲率半徑盡可能大。異徑管(變截面管)由于橫截面積的變化，會(huì)導(dǎo)致流體速度和壓力的劇變，因此應(yīng)盡量避免選用。

2)在降低管道振動(dòng)傳遞的途徑上，可以設(shè)置隔振元件，如波紋管、彈性接頭等。使管系結(jié)構(gòu)不連續(xù)，結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)會(huì)在不連續(xù)處發(fā)生反射和透射［5－6］。削減管路中的壓力脈動(dòng)一方面通過安裝水動(dòng)力消聲器等，也可以重點(diǎn)研發(fā)管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低管道內(nèi)部脈動(dòng)。

3)通過分析，總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)形式的管路產(chǎn)生壓力損失的變化規(guī)律，后期可以通過不斷優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到最佳的減振降噪效果。

［1］李潤紅.壓縮機(jī)管道振動(dòng)控制技術(shù)研究［D］.沈陽:東北大學(xué)，2006.

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Fluid dynamics analysis of torpedo pipeline

BAI Zhao-gao1，CUI Xin-shan2
(1.Naval Equipment Department，Xi'an 710075，China;2.The 705 Research Institute of CSIC，Xi'an 710075，China)

The radiation noise of piping system has become one of important marks that measuring the overall advanced degree of modern torpedo.According to the characteristics of pressure pulsation and radiation noise.CFD software is used in this paper to analysis，drawing a conclusion that the velocity of the fluid and the pressure of the pipe wall are changing with the inlet flow.This paper Summarizes the reasons for the change caused by the pressure fluctuations.Theoretical analysis and experimental results show that piping design should avoid to use tube bending and reduce pressure pulsation.

piping system;pressure pulsation;fluid dynamics analysis

TJ630.1

A

1672－7649(2012)03－0032－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.006

2011－12－05;

2011－12－28

白照高(1966－)，男，高級工程師，主要從事海軍裝備技術(shù)管理工作。