程文鑫, 蔡衛(wèi)軍, 楊春武

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魚(yú)雷小角度入水過(guò)程仿真

程文鑫1, 蔡衛(wèi)軍2, 楊春武2

(1 海軍裝備部, 北京, 100073; 2 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對(duì)魚(yú)雷小角度入水問(wèn)題, 采用多相流混合模型及動(dòng)網(wǎng)格方法, 分析了魚(yú)雷在小入水角條件下的入水空泡形成過(guò)程, 以及雷體外形與入水空泡壁的相互作用特點(diǎn), 獲得了不同入水角、入水攻角條件下俯仰力矩及力矩作用點(diǎn)位置在入水過(guò)程中的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明, 減小入水攻角、延遲動(dòng)力點(diǎn)火將有助于避免發(fā)動(dòng)機(jī)失速、魚(yú)雷跳水等異常現(xiàn)象, 采用泵噴射推進(jìn)器有利于魚(yú)雷入水過(guò)程的穩(wěn)定。

魚(yú)雷; 空泡; 動(dòng)網(wǎng)格; 多相流混合模型; 泵噴射推進(jìn)器

1 概述

實(shí)際海況條件下, 發(fā)射平臺(tái)的大幅度搖擺可能會(huì)導(dǎo)致魚(yú)雷發(fā)射出管后以小角度入水, 出現(xiàn)魚(yú)雷跳水、發(fā)電機(jī)失速、魚(yú)雷下潛緩慢等異常情況。與垂直入水過(guò)程不同[1], 魚(yú)雷小角度入水空泡有明顯的非對(duì)稱(chēng)特征, 雷體受力及姿態(tài)變化更易受到入水空泡形態(tài)的影響。

由于入水過(guò)程的瞬變性, 采用試驗(yàn)手段僅能獲得典型狀態(tài)下的入水空泡形態(tài), 難以得到較全面的雷體受力變化規(guī)律。針對(duì)魚(yú)雷入水問(wèn)題的分析手段目前主要有以下幾種[1-3]。

1) 引入奇異邊界條件后, 可獲得軸對(duì)稱(chēng)頭型垂直入水過(guò)程的工程解析解。

2) 采用Mackey方法可獲得雷體與空泡壁相互作用形成的魚(yú)雷流體動(dòng)力, 對(duì)魚(yú)雷帶空泡航行時(shí)的入水彈道進(jìn)行仿真。該方法需預(yù)先將空泡外形擬合為空泡橢球模型, 適用于軸對(duì)稱(chēng)入水空泡問(wèn)題分析[4-5]。

3) 采用Logvinovich空泡截面獨(dú)立擴(kuò)張?jiān)韀6-8], 可獲得細(xì)長(zhǎng)體超空泡外形以及帶空泡航行時(shí)的航行體滑行力特性。該方法考慮了重力對(duì)空泡形態(tài)的影響, 多用于分析小空泡數(shù)下超空泡航行體的穩(wěn)定控制。

4) 采用基于流體體積函數(shù)(volume of fluid, VOF)的多相流混合模型和動(dòng)網(wǎng)格方法[9], 可對(duì)魚(yú)雷入水過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真, 從而獲得入水空泡與雷體相互干涉過(guò)程、雷體流體動(dòng)力參數(shù)的變化規(guī)律。

上述方法多用于研究魚(yú)雷垂直入水問(wèn)題, 重點(diǎn)關(guān)注入水空泡的早期階段, 通常僅需考慮兩相介質(zhì)(水與空泡、水與空氣)。為了合理研究魚(yú)雷小角度入水空泡對(duì)雷體姿態(tài)及受力特性影響, 更應(yīng)考慮雷體與水、空氣及空泡三相介質(zhì)的相互作用。

本文借鑒通氣超空泡流場(chǎng)求解思路[10], 采用均質(zhì)多相流模型及動(dòng)網(wǎng)格方法, 通過(guò)求解3D RANS方程及zward空化模型, 研究小入水角條件下的入水空泡形成過(guò)程, 分析雷體外形與入水空泡壁的相互作用特點(diǎn)。并根據(jù)入水過(guò)程中雷體受力變化規(guī)律, 提出魚(yú)雷小角度入水條件下改善下潛速度、避免跳水及發(fā)電機(jī)失速的可能措施。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 多相流模型

魚(yú)雷入水過(guò)程涉及空氣、水、水蒸汽三相介質(zhì), 多相流相間質(zhì)量傳輸方程

2.2 動(dòng)網(wǎng)格方法

魚(yú)雷出管至入水迭代求解過(guò)程中, 雷體姿態(tài)、位置實(shí)時(shí)變化, 采用局部彈簧網(wǎng)格重構(gòu)方法, 根據(jù)網(wǎng)格單元壓力梯度進(jìn)行局部網(wǎng)格的加密或聚合。通過(guò)調(diào)整拉伸及扭轉(zhuǎn)彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算域網(wǎng)格單元光順處理, 避免雷頭觸水及入水空泡附著時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)格畸變。

3 算例

假設(shè)魚(yú)雷入水速度為50 m/s, 質(zhì)量為290 kg, 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為210 kg×m2, 質(zhì)心距雷頭1.3 m, 入水攻角分別為19°, 21°, 24°, 入水俯仰角分別為3°, 0°, –5°, –20°, 雷體坐標(biāo)系原點(diǎn)在魚(yú)雷質(zhì)心[11]。

3.1 入水空泡形成過(guò)程

魚(yú)雷入水過(guò)程包括雷頭撞水、雷體侵水、雷尾觸水等階段。入水初期, 雷頭下側(cè)局部壓力降低, 形成開(kāi)式空泡。有入水攻角時(shí), 入水空泡呈現(xiàn)縱向非軸對(duì)稱(chēng)形態(tài)(見(jiàn)圖1)。隨著雷體、雷尾鰭舵相繼觸水, 空泡壁附著在雷體表面, 雷體受到的阻尼力矩增大, 魚(yú)雷姿態(tài)變化趨于平緩(見(jiàn)圖2)。

圖1 魚(yú)雷入水空泡形成過(guò)程

圖2 雷頭及雷尾觸水過(guò)程

入水角為正時(shí), 雷尾鰭舵、推進(jìn)器先觸水, 雷體受到有利于魚(yú)雷下潛的俯仰力矩(見(jiàn)圖3), 但魚(yú)雷下潛過(guò)程中推進(jìn)器距離水面更近, 推進(jìn)器槳葉空化后易造成發(fā)電機(jī)失速。采用延遲動(dòng)力點(diǎn)火或啟控措施, 引入魚(yú)雷深度判斷條件后可避免發(fā)電機(jī)失速。

圖3 入水角對(duì)空泡形態(tài)的影響

3.2 雷尾構(gòu)型與入水空泡

雷尾鰭舵刺穿空泡壁面后, 將形成有利于魚(yú)雷下潛的俯仰力矩(見(jiàn)圖4)。小入水角時(shí), 由于入水空泡的縱向非軸對(duì)稱(chēng)性, 被空泡包裹的尾舵舵效近似為0, 進(jìn)行操舵動(dòng)作時(shí), 應(yīng)避免計(jì)入該舵舵效。入水角增大后, 刺穿空泡壁的尾舵有一側(cè)表面仍可能處于空泡中, 此時(shí)操舵后的實(shí)際舵效遠(yuǎn)低于魚(yú)雷穩(wěn)定直航狀態(tài)。增大俯仰通道功能舵角限幅, 能夠加速入水空泡潰沒(méi), 從而提高俯仰功能舵效, 加快魚(yú)雷下潛。

雷尾采用泵噴射推進(jìn)器時(shí), 導(dǎo)管觸水后將產(chǎn)生有利于魚(yú)雷下潛的俯仰力矩, 但泵噴射推進(jìn)器進(jìn)流易受入水空泡影響。采取延遲動(dòng)力點(diǎn)火或啟控措施, 推進(jìn)器可避開(kāi)入水空泡段后再工作, 從而避免發(fā)電機(jī)失速。

圖4 雷尾構(gòu)型與入水空泡的相互作用

3.3 入水角、入水攻角影響

入水攻角增大后, 雷體受到的俯仰力矩增加較快。減小入水攻角, 雷體俯仰力矩在入水過(guò)程中變化幅度小, 且雷體受力作用點(diǎn)向雷頭方向移動(dòng)(見(jiàn)圖5)。因此減小入水攻角、調(diào)整魚(yú)雷重心向雷頭方向移動(dòng), 均有利于減小入水俯仰力矩。

魚(yú)雷小角度入水過(guò)程中, 雷體軸向阻力在雷體侵水階段變化較小, 因此適當(dāng)延遲動(dòng)力點(diǎn)火時(shí)間對(duì)俯仰功能舵效影響小, 不會(huì)減緩魚(yú)雷下潛速度(見(jiàn)圖6)。

圖5 入水攻角對(duì)俯仰力矩及力矩作用點(diǎn)位置的影響

圖6 入水角、入水攻角對(duì)俯仰力矩及雷體軸向阻力的影響

4 結(jié)論

本文采用多相流混合模型及動(dòng)網(wǎng)格方法,獲得小入水角條件下入水空泡壁與雷體的相互作用過(guò)程、入水過(guò)程中的雷體受力特性, 提出小角度條件下避免魚(yú)雷入水異常的可能措施。

1) 魚(yú)雷小角度入水時(shí), 至少有1個(gè)舵被入水空泡包裹, 設(shè)計(jì)操舵規(guī)律時(shí)應(yīng)避免計(jì)入該舵舵效。

2) 減小魚(yú)雷入水攻角、延遲動(dòng)力點(diǎn)火, 有利于避免魚(yú)雷發(fā)電機(jī)失速或魚(yú)雷跳水。

3) 雷尾采用泵噴射推進(jìn)器有利于魚(yú)雷入水過(guò)程穩(wěn)定。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Simulation on Small-Angle Water Entry Process of Torpedo

CHENG Wen-xin, CAI Wei-jun, YANG Chun-wu

(1. Naval Armament Department, Beijing 100073, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

The multiphase mixture model and the dynamic mesh method are used to analyze the forming process of cavity in torpedo water entry with small angle, and the characteristics of interaction between torpedo shape and water entry cavity wall to achieve the change rules of pitch torque and torque action point for different water entry angle and water entry angle of attack. Simulations show that reducing angle of attack or delaying ignition can avoid such abnormal phenomena as engine′s stalling and torpedo′s broaching, and pump jet configuration facilitates stable water entry process of a torpedo.

torpedo; cavity; dynamic mesh; multiphase mixture model; pump jet propellant

TJ630

A

1673-1948(2014)03-0161-04

2014-01-23;

2014-02-26.

程文鑫(1977-), 男, 工程師, 博士, 研究方向?yàn)檠b備系統(tǒng)綜合保障設(shè)計(jì)、分析與評(píng)價(jià).