鄧佳，畢世華，李景須

（1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081；2.中國(guó)人民解放軍93708部隊(duì)，北京101300；3.北京電子工程總體研究所，北京100854）

同心筒水下發(fā)射筒口氣泡變化的數(shù)值模擬

鄧佳1，2，畢世華1，李景須3

（1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081；2.中國(guó)人民解放軍93708部隊(duì)，北京101300；3.北京電子工程總體研究所，北京100854）

為了研究同心筒水下熱發(fā)射過(guò)程中筒口氣泡變化規(guī)律，采用三維多相流模型對(duì)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行了模擬。研究表明，同心筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用于水下發(fā)射時(shí)筒口氣泡受到彈體表面黏性力、氣流附壁效應(yīng)以及兩相互相作用過(guò)程影響，筒口氣泡的形態(tài)會(huì)經(jīng)歷3個(gè)典型階段，筒口附近的壓強(qiáng)和速度受氣泡運(yùn)動(dòng)和發(fā)展影響而振蕩變化。研究的結(jié)果在水下發(fā)射技術(shù)的發(fā)展上具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

同心筒；多相流；數(shù)值模擬；動(dòng)網(wǎng)格

與其他發(fā)射系統(tǒng)相比，同心筒結(jié)構(gòu)的發(fā)射系統(tǒng)在性能和造價(jià)上具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足多種作戰(zhàn)任務(wù)的需求［1］。自1991年同心筒式發(fā)射裝置的基本原理［2］首次提出，Yagla［3］系統(tǒng)地闡述了同心筒發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)同心筒發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)質(zhì)量流量的影響做出了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究；Weiland等［4］研究了同心筒在水下發(fā)射的應(yīng)用，提出“破水發(fā)射”的概念。傅德彬等［5］建立用于同心筒發(fā)射數(shù)值分析的集中參數(shù)模型，分析了內(nèi)外筒間隙尺寸對(duì)發(fā)射過(guò)程的影響；王亞?wèn)|等［6-7］分析了氣泡彈性對(duì)同心筒水下發(fā)射的影響；袁緒龍等［8］分析并總結(jié)了同心筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)內(nèi)彈道的影響規(guī)律。

但之前的研究沒(méi)有關(guān)注筒口處氣泡變化，而筒口處氣泡的變化直接影響到發(fā)射筒內(nèi)流場(chǎng)。為此基于CFD方法，建立了水下垂直發(fā)射過(guò)程的流場(chǎng)模型，數(shù)值模擬了發(fā)射過(guò)程中筒口處高速氣流的流動(dòng)變化過(guò)程，并對(duì)其筒口處氣泡內(nèi)部的壓強(qiáng)和速度變化進(jìn)行分析。

1 物理模型和計(jì)算方法

1.1 彈體運(yùn)動(dòng)方程

在不考慮引起彈體徑向偏轉(zhuǎn)的推力偏心和來(lái)流速度等，導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)可近似為只沿彈體軸線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，表達(dá)式為

1.2 動(dòng)網(wǎng)格控制方程

模擬導(dǎo)彈的出筒過(guò)程需要采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。在動(dòng)網(wǎng)格中計(jì)算流場(chǎng)時(shí)，通用變量φ在任意控制體V上的守恒方程可以表示為

式中：Γ為耗散系數(shù)；Sφ為φ的源項(xiàng)；?V為控制體V的邊界。

1.3 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格

計(jì)算區(qū)域?yàn)橥耐矁?nèi)外區(qū)域所示，取三維模型的一半進(jìn)行計(jì)算。發(fā)射筒間隙長(zhǎng)度為7.2 m，內(nèi)外筒間隙為0.3 m，間隙底部和頂部均有擋流環(huán)。計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域分為固定網(wǎng)格區(qū)域和動(dòng)態(tài)網(wǎng)格區(qū)域，其中動(dòng)態(tài)網(wǎng)格區(qū)域用來(lái)模擬導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。整個(gè)區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，整個(gè)計(jì)算域具有100萬(wàn)網(wǎng)格，其對(duì)稱(chēng)面分區(qū)如圖1所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域分區(qū)示意圖

1.4 計(jì)算方法

采用有限體積法對(duì)流場(chǎng)控制方程進(jìn)行離散，湍流模型選用RNG k-ε模型［9］，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，動(dòng)網(wǎng)格采用域動(dòng)分層法［10］，采用Mixture多相流模型求解兩相流場(chǎng)［11］。

2 邊界條件和初始條件

1）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的末端作為壓力入口，總壓、總溫分別為9 MPa和3 450 K；外部水域邊界為壓力出口，溫度為300 K，隨水深變化的靜壓由UDF給出；

2）發(fā)射筒、導(dǎo)彈底部和頭部均作為絕熱壁面；動(dòng)網(wǎng)格和靜止網(wǎng)格區(qū)域的接觸面作為Interface面；

計(jì)算模型中對(duì)燃?xì)獾男再|(zhì)及發(fā)射狀態(tài)做如下假設(shè)：燃?xì)鉃槔硐霘怏w；不考慮水的汽化及水蒸汽的凝結(jié)；不考慮導(dǎo)彈頭部的空化；不考慮艇速及艇壁的影響。初始時(shí)刻發(fā)射筒內(nèi)為均壓狀態(tài)，充滿(mǎn)的燃?xì)鉁囟葹?00K，發(fā)射深度為30 m。

3 結(jié)果和討論

導(dǎo)彈在0.393 s離筒，此時(shí)彈體速度為32.19 m/s。在發(fā)射初期，隨著筒內(nèi)壓強(qiáng)增加，燃?xì)忾_(kāi)始逐漸從內(nèi)外筒間隙排出，形成“面包圈”形式的環(huán)形氣泡；隨著排出燃?xì)饬康脑黾?，發(fā)射筒口的“面包圈”環(huán)形氣泡逐漸沿軸向和徑向擴(kuò)展。從圖2中可以看出，由于燃?xì)饬髟谕部诰哂休^大的軸向動(dòng)量，其軸向上的膨脹程度要大于徑向的膨脹程度。

圖2 對(duì)稱(chēng)面氣泡發(fā)展云圖（0.016～0.046 s）

在發(fā)射初期，筒口燃?xì)馍淞鳉馀莸呐蛎浰俣瓤煊趶楏w的運(yùn)動(dòng)；筒口氣泡的體積變化顯著，未發(fā)生筒口氣泡的頸縮、斷裂等現(xiàn)象。在0.1 s時(shí)，彈體運(yùn)動(dòng)速度逐漸超過(guò)筒口氣泡發(fā)展速度，出現(xiàn)彈體貫穿筒口氣泡的典型形態(tài)，如圖3所示。此時(shí)筒口氣泡在水介質(zhì)作用下受到阻滯并產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，其軸向發(fā)展變得緩慢而徑向的膨脹空間增加。

圖3 對(duì)稱(chēng)面氣泡發(fā)展云圖（0.1～0.2 s）

在彈體加速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，彈體表面的柯恩達(dá)效應(yīng)和黏性作用力開(kāi)始表現(xiàn)出顯著的作用。筒口氣泡在彈體表面黏性作用力和低壓區(qū)作用下沿軸向快速運(yùn)動(dòng)，發(fā)射初期形成的氣泡遠(yuǎn)離了筒口位置，形成“蘑菇”形態(tài)。在氣泡下部，由于彈體的帶動(dòng)和筒口排出燃?xì)獾难a(bǔ)充，形成“蘑菇”根部結(jié)構(gòu)。受彈體表面黏性作用和低壓區(qū)作用，雖有頸縮現(xiàn)象的發(fā)生，但氣泡斷裂現(xiàn)象未出現(xiàn)。

氣泡受環(huán)境水介質(zhì)的阻滯作用運(yùn)動(dòng)速度明顯低于彈體。在這一階段，上述“蘑菇”形氣泡的傘狀邊緣向彈體表面靠近，形成了較為完整的“紡錘”形態(tài)，如圖4所示。受彈體表面黏性作用力、氣泡內(nèi)部氣流動(dòng)量等因素影響，“紡錘”形氣泡跟隨彈體運(yùn)動(dòng)，但速度明顯低于彈體運(yùn)動(dòng)速度。在筒口附近，外部氣泡與筒內(nèi)氣體保持連通狀態(tài)，未出現(xiàn)明顯的氣泡斷裂和脫落狀態(tài)。

圖4 對(duì)稱(chēng)面氣泡發(fā)展云圖（0.25～0.4 s）

為定量分析筒口氣泡發(fā)展過(guò)程和內(nèi)部壓強(qiáng)變化規(guī)律，本節(jié)利用筒口附近的測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化情況進(jìn)行分析。在發(fā)射筒外部對(duì)稱(chēng)面上沿軸向和徑向建立兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1和B1。這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于發(fā)射筒內(nèi)外筒間隙出口正上方，A1距筒口0.8 m，B1距筒口1.3 m。

筒口氣泡壓強(qiáng)發(fā)展過(guò)程分為3個(gè)階段，如圖5所示。在第一階段（t=0～0.05 s），0.02 s左右壓力波抵達(dá)測(cè)點(diǎn)位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)陡然上升，達(dá)到壓強(qiáng)峰值。由于A1監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離發(fā)射筒較近，受到的沖擊作用要強(qiáng)，A1的壓力峰值要大于B1；在第二階段（t=0.05～0.16 s），筒口氣泡推動(dòng)水向上運(yùn)動(dòng)并經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在氣泡前沿抵達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)，由于氣泡內(nèi)燃?xì)廨S向運(yùn)動(dòng)受到環(huán)境阻滯，壓力相應(yīng)增加，部分氣體沿徑向流動(dòng)；而在“蘑菇”狀氣泡傘形區(qū)域根部抵達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)又顯著降低并達(dá)到最低值。在第三階段（t=0.15～0.4 s），氣泡主體越過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且燃?xì)饩哂幸欢ǖ妮S向速度，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1的壓強(qiáng)在大部分時(shí)間上均高于監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1的壓強(qiáng)。在燃?xì)饬鲃?dòng)過(guò)程中，受到兩相界面不穩(wěn)定影響，燃?xì)饬鲃?dòng)通道截面積呈現(xiàn)間歇性的“膨脹-收縮”變化，測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)也相應(yīng)地呈現(xiàn)振蕩變化。

在發(fā)射初期（t＜0.1 s），氣泡尚未運(yùn)動(dòng)或發(fā)展至監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域，周?chē)橘|(zhì)在氣泡作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在靠近彈體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、B1附近，水流速度約為4～6 m/s。此后隨著氣泡運(yùn)動(dòng)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域，監(jiān)測(cè)點(diǎn)反映出氣泡內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)速度。從圖6中可以看出，隨著徑向距離的增加，燃?xì)膺\(yùn)動(dòng)速度的呈整體下降趨勢(shì)。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于氣泡內(nèi)部時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度呈現(xiàn)出顯著的振蕩變化，反映出在氣泡內(nèi)不同位置、不同時(shí)刻，燃?xì)獾牧鲃?dòng)速度受氣泡形態(tài)和內(nèi)部流動(dòng)等多種因素影響，具有復(fù)雜的變化規(guī)律。此外還可以看出，B1的速度變化滯后于A1，表明距離筒口越遠(yuǎn)，環(huán)境介質(zhì)受到的擾動(dòng)越滯后。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度變化曲線

4 結(jié)論

利用CFD方法，對(duì)同心筒水下發(fā)射過(guò)程中筒口氣泡變化進(jìn)行了模擬。從分析中看出，筒口氣泡形態(tài)經(jīng)歷了3個(gè)典型階段，一是在發(fā)射初期，由同心筒結(jié)構(gòu)排出的水下氣體射流受環(huán)形噴口形式影響呈現(xiàn)“面包圈”形態(tài)，其徑向和軸向發(fā)展速度主要受排導(dǎo)燃?xì)饬髁坑绊?；二是在彈體頭部穿過(guò)氣泡后，筒口氣泡在彈體表面黏性作用力和自身慣性作用下向前運(yùn)動(dòng)，形成“蘑菇”狀形態(tài)；三是在環(huán)境水介質(zhì)阻滯作用下，“蘑菇”狀氣泡的傘狀邊緣向彈體表面靠近，形成“紡錘”形態(tài)。在筒口氣泡的發(fā)展過(guò)程中，受柯恩達(dá)效應(yīng)影響，由筒口排出的燃?xì)赓N近彈體表面流動(dòng)，并不斷補(bǔ)充進(jìn)入其典型形態(tài)結(jié)構(gòu)中，未發(fā)生氣泡的斷裂和脫落現(xiàn)象。筒口附近壓強(qiáng)和速度變化受氣泡運(yùn)動(dòng)和發(fā)展影響，呈震蕩變化趨勢(shì)。

［1］李艷良.同心式發(fā)射筒流場(chǎng)計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2006.

［2］谷榮亮，杜江，時(shí)繼慶.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.上海航天，2003（3）:28-32.

［3］John J Yagla.Concentric Canister Launcher［J］.Naval Engineers Journal，1997，1（9）:313-330.

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［7］王亞?wèn)|，袁緒龍，張宇文，等.氣泡彈性對(duì)同心筒水下發(fā)射影響研究［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2013（2）:313-318.

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（責(zé)任編輯周江川）

Numerical Simulation of Change of Bubble in Tube Opening Underwater Launch Using Concentric Canister Structure

DENG Jia1，2，BI Shi-hua1，LI Jing-xu3
（1.School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.The No.93708thTroop of PLA，Beijing 101300，China；3.Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China）

In order to study the development change rule of bubble in tube opening during underwater launching process using concentric canister structure，three-dimensional multiphase flow model was used to simulate the process of launching.The results indicate that when concentric tube structure is applied to the underwater launch，bubbles at concentric tube edge are affected by projectile surface viscous force，airflow coanda effect and the above two phase's process between each other，and the shape of jet bubble experienced three typical forms.Pressure and velocity inside the bubbles oscillated and changed for the motion and development of bubble.Results of this study have theoretical significance and engineering value in the development of underwater launch technology.

concentric canister launcher；multiphase flow；numerical simulation；dynamic mesh

鄧佳，畢世華，李景須.同心筒水下發(fā)射筒口氣泡變化的數(shù)值模擬［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2015（11）：26 -28.

format：DENG Jia，BI Shi-hua，LI Jing-xu.Numerical Simulation of Change of Bubble in Tube Opening Underwater Launch Using Concentric Canister Structure［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：26-28.

U674.7+03.54；TJ762.4

A

1006-0707（2015）11-0026-04

10.11809/scbgxb2015.11.008

2015-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金（51306019）

鄧佳（1984—），男，博士研究生，主要從事兵器發(fā)射理論與技術(shù)研究。