水下气动发射模型内流场仿真分析.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S F e b． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 1 8 水下气动发射模型内流场仿真分析 牛清勇 ，李天匀 1 ．华 中科技大学船舶与海洋工程 学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 ；2 ．武汉科技大学理学院，湖北武汉 4 3 0 0 6 5 摘要 利用 F L U E N T软件对某水下气动发射模型发射过程的内流场特性进行了仿真研究。基于标准 K -- g湍流模式和轴 对称模型进行了瞬态内流场分析。使用自定义函数和动态层网格更新方法，对因阀开启和武器运动引起的内流场边界的变 化进行了模拟。通过对发射气瓶在不同初压条件下的内流场仿真，分析了内弹道参数随时间的变化规律和发射装置内流场 压强的空间分布规律。最后进行了水池发射试验，验证了仿真分析方法的有效性。 关键词水下气动发射；内流场；数值仿真；动网格 中图分类号 T J 6 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 4 0 5 8 4 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o n t h e I nt e r n a l Fl o w Fi e l d o f a n Un d e r wa t e r Pn e u ma t i c La u nc he r Mo d e l N I U Q i n g y o n g 一 ， L I T i a n y u n 1 ． S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e a n d O c e a n E n g i n e e r i n g ， H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， W u ha n Hu b e i 4 3 0 0 7 4，Ch i n a； 2 ． C o l l e g e o f S c i e n c e ，Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 6 5 ， C h i n a Abs t r a ct The i nt e r n a l flo w fie l d o f a n u n de r wa t e r pn e u ma t i c l a u nc h e r mod e l wa s n ume r i c a l l y s t ud i e d us i ng FLUENT．St a n d a r d ， 一 s t u r b u l e n t fl o w mo d e l a n d a x i s y mme t r i e mo d e l we r e u s e d i n t h e t r a n s i e n t s i mu l a t i o n ． T h e b o u n d a r y c h a n g e s o f t h e fl o w fie l d c a u s e d b y t h e mo v i n g o f t h e v a l v e a n d t h e w e a p o n w e r e c o n s i d e r e d w i t h U D F U s e r D e fi n e F u n c t i o n a n d d y n a m i c m e s h t e c h n i q u e ． F o u r d i f - f e r e n t a i r b o t t l e p r e s s u r e l e v e l s we r e d i s c u s s e d a s e x a mp l e s a n d t h e c h a n g e s wi t h t i me o f t h e i n t e r i o r b a l l i s t i c s we r e a n a l y z e d，a s w e l l a s t h e s p a t i a l p r e s s u r e d i s t ri b u t i o n wi t h i n t h e l a u n c h t u b e ． F i n a l l y ，t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s wa s v a l i d a t e d b y t h e l a u n c h i n g e x p e r i me n t s c a r r i e d o u t i n a wa t e r t a n k． Ke y wo r ds Und e rw a t e r p n e uma t i c l a u nc h；I nt e r n a l flo w fie l d；Nu me r i c a l s i mu l a t i o n；Dy n a mi c me s h 某 型水 下 气 动发射 装 置 ，通过 开 启发 射 阀将 气 瓶 内的高压 空气 引入 发射 管 气室 ，推动 武器 克 服阻 力出管。分析此 过 程 中 内弹道参 数 随 时问 的变 化规 律和装置内的压强空间分布规律 ，对内弹道 的优化 设计和研究发 射过 程 中结 构 的振 动和 噪声 响应 有重 要意义。除试验方法外，发射装置内流场的研究还 包括理论分析法和数值仿真法。理论分析法通常先 建立发射 系统 各组 件 的数 学模 型 ，再 组合 得到 装 置 整体的分析模型 ，该方法未考虑内流场参数空间 分布的不均匀特性。数值仿真法使用 C F D软件模拟 发射过程 的 内流场 ，该方 法应 用 广泛 且 已取得 显 著 成果 。宋保 维等 利用 动 网格 技术 对 气动 不平 衡 式 鱼雷发射 器 的 内弹道 流场 进行 了仿真 计算 。刘 乐 华 等 采用 T V D有限体 积法对 雷 弹水下 大深 度发 射 内 流场进行 了数值模拟。殷崇一等 利用有 限体积法 和 S I MP L E算法计算 了潜射导弹的内流场。翟晓超 等 介绍了动网格更新方法并利用 F L U E N T软件对导 弹的出筒 内弹道进行 了分析。已有文献在对水下发 射装置进行 流场 仿 真 时 ，一般 仅选 取发 射管 内和 武 器出 口位置 周 围 的流场 ，且常需 给 定基 于试 验 的发 射管人 口压 强条 件 或武 器 的管 内运动 规 律 等 ⋯。 文中针对某型水下气动发射装置，通过对发射 阀进 行合理简化建立 了全系统 的分析模 型 ；利用 F L U E N T 软件 ，采用轴对称模型和标准 湍流方程对发射 过程进行了数值仿真；利用动 网格技术模拟因发射 阀开启和 武器 运 动引 起 的 内流场边 界 的变 化 ；通 过 对不 同发射 气瓶 初 压条件 下 的发 射过 程 进行 仿 真计 算 ，分析了武器的管内位移 、速度、发射管膛压等内 弹道参数 随 时 间的变 化规 律 ，对 发射 系 统沿模 型对 称轴 的压 强分 布和 发射 管 内压 强 的空 间分 布规 律也 进行了分析。为验证仿真分析方法的合理性 ，进行了 水池发射试验。 1 仿真分析理论 图 1 为某水下气动发射装置简图。发射过程仿真 分析理论主要包括流体控制方程、武器运动规律及 发射阀的简化模型。 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 2 2 作者简介牛清勇 1 9 7 6 一，男 ，博士研究生，讲师，从事水声工程和结构仿真分析。E m a i l q y n i u 1 6 3 ． c o n。 第 4 期 牛清勇 等水下气动发射模型内流场仿真分析 5 9 发射气瓶 发射 阀发射 管 武器 密封盖 金属片 图 1 发 射装 置原理图 1 ． 1 流体 控制 方程 由于发射时间较短 ，发射过程中气体与装置间 的热交换可以忽略，即发射过程可假定为绝热变化 过程。仿真计算所需 的控制方程仅 包括连续 性方 程 、动量 方 程 和 湍 流模 型 方 程 。采 用 常 用 的 标 准 一 湍流模式 ，其 中又包括表示湍 动能 ／t “ 的方程和 表示耗散率的 方程。这些控制方程可用统一形式 表 示为 d i 、 ， p } ． d i v F g r a d 4, s 1 其 中 P为密 度 ，咖为 通用 变量 ，H为速 度矢 量 ，， 为广义扩散系数，s为广义源项。式 1 中 4项 由 左至右分别为瞬态项 、对流项 、扩散项和源相。对于 每个特定 的控制 方程 ， 、F和 有 特定 的形式 。统 一 形式中各符号在各方程中的具体形式可参考文献 [ 1 1 ] 。 1 ． 2 武器在发射管 内的运动 在发射过程中，武器受到发射管 内气体的推力 作用，同时也受到武器 与管壁间的摩擦阻力作用和 发射装置外水的阻力作用。武器的运动规律满足 ， r 0 当 0且 p o A≤F d t { 当 2 L m g 式 中 为武 器的速度 ， 为武 器的管 内位移 ，P 为 发射管膛压 ，A为武器底面面积，F 。 为武器开始运动 所需克服的初始阻力 主要为冲破密封金属片所需 的力 ，m 为武器质量 ，R为武 器开始运 动后受 到的 阻力 ，满足 1 C 。 4 0 G 和 3 其 中c 。 为水 中的运 动阻 力 系数 ，P 为 水 的 密 度 ， 为武器与发射管间的摩擦因数，G为武器重力，P 为发射深度处的流体静压。 1 ． 3 发 射 阀模型 发射阀的模型在内流场分析中起着重要的作用。 仅考虑发射阀开启面积的影响而忽略阀内具体 的流 动状态，将发射 阀简化为理想快开 阀模型，其开启 面积随时间的变化满足图 2所示的规律。其 中 t 为 发射阀开启的响应时间，A 们 为最大的开启面积。 图2 发射阀开启规律 2 仿真模型 2 ． 1 内流场模 型 利用 G a m b i t 软件 建立 图 3所示 的二 维 轴对 称 流 体网格模型，在 F L U E N T中进行求解。模型采用四边 形单元划分 网格 ，最 小单 元尺 寸为 1 m m 。采用 二维 双精度求解器和标准 ， c ～ 湍流模型对发射过程内流 场进行瞬态仿真计算。计算采用的时间步长设置为 2 1 0 ～S ，单 步 的最 大迭 代次 数 为 2 0 0 。仿 真模 型 的 网格划分和边界设置如图 3 所示。发射气瓶、发射阀 和管路问的两对 网格边界设置为交界面类型 I n t e r ． f a c e 。模型对称轴设置为轴对称边界 A x i s 。其他 边界均设置为固壁边界 Wa l 1 。高压气瓶的初压， 在流体模型初始化后利用 P a t c h功能进行设置。 轴 界 图 3 内流场模型的网格和边界 仿真计算所用的发射气瓶容积为 0 ． 0 4 m 。发射 管直径为 0 ． 2 m，武器的管内行程为 0 ． 8 m。武器运 动初始阻力 由试验确定 为 9 1 0 0 N。设置 4种 不 同的 发射气瓶 初始压 强，分别 为 1 ． 7 0 、2 ． 0 0 、2 ． 2 5和 2 ． 5 0 M P a 。发射阀开启响应为时间 0 ． 0 3 S ，最大有效 开启 面积为 7 ． 8 5 x 1 0 m 。 2 ． 2运动 边界 的模 拟 发射过程中阀的开启和武器的运动导致内流场 区域不断扩大，利用 F L U E N T的动网格技术可对此进 行模拟。根据图 2曲线编写 P r o fi l e s 类型的文件 ，根 据式 3 和式 4 编写 U D F用户 自定义函数。描 述动 网格更新规律 的 P r o fi l e s 类 型文件 和 U D F函数 文 件分别经读人和编译加载后与求解器连接。在仿真 计算时 ，求解 器 根据 边 界参 数 动态更 新 阀和武 器 的 运动位置。计算采用动态层 L a y e r i n g 形式的动网 格更新方式 ，新 网格 的尺寸 也设置 为 1 m m。同样利 用 自定义函数 ，对发射过程 中内弹道 的数据进行读 取和保存。 第 4期 牛清勇 等水下气动发射模型内流场仿真分析 6 1 武器 发 射管 图 1 0 发射过程截图 表 1 给出了不 同发射 气瓶初 压 条件下 的试 验结 果和仿 真结 果。相 比于试 验结 果 ，仿 真计 算 的出管 时间的最大相对误差为一 9 ． 7 ％，发射后气瓶压强的 最大相对误差为 1 3 ． 6 ％。一方面因仿真模 型的简化 原因造成 了误差 ；另一方面考虑到试验 中观察到武 器 出管后立 即关 闭 发射 阀 的过程 中 由于操作 者 和 发 射阀的动作响应都需一定 的时间，而此时间内发射 气瓶 的压 力仍 继 续下 降 ，因此造 成 试验 测 量数 值偏 低 ，使得 出管后 气 瓶压 强 的仿 真和 试 验值 间 的误 差 稍大。但仿真计算与试验结果的基本吻合，说明了 该水下气动发射装置内流场数值仿真分析方法 的有 效性 。 表 1 发射试验结果与仿真 结果对比 发射气瓶初始 出管时间t ／ s 出管后气瓶压强P B ／ MP a 压强P 。 ／ M P a 试验 仿真 试验 仿真 5结论 利用 F L U E N T软件对某水下气动发射装 置的发射 过程内流场进行了仿真分析 ，发现 不同发射气瓶 初压条件下发射管膛压最大值基本相等 ；由于膛压 和阻力的变化 ，武器的速度先快速达到峰值后又缓 慢下降；发射管内除进气 口外的其他区域 ，压强分布 随着武器 的运 动 而趋 于均 匀 。水 下 发射 试验 验 证 了 内流场仿真分析方法 的有效性。仿真方法对进一步 研究该水下气动发射装置 的内弹道优化 、发射系统 的水下振动和噪声特性有一定参考意义。 参考文献 [ 1 ]王树宗， 练永庆， 陈一雕． 气动式水下武器发射装置内弹 道数学模型[ J ] ． 弹道学报， 2 0 0 3 ， 1 5 1 2 卜2 6 ． [ 2 ]练永庆， 田兵， 王树宗 ， 等． 空气涡轮泵发射系统发射过 程仿真分析[ J ] ． 兵工学报， 2 0 1 1 ， 3 2 2 1 5 5 1 6 2 ． [ 3 ]练永庆， 徐勤超 ， 王树宗． 空气涡轮机带负载启动过程仿 真[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 1 ， 4 7 8 6 8 7 1 ． [ 4 ]田兵 ， 王树宗， 练永庆． 液压蓄能式鱼雷发射装置内弹道 建模与仿真[ J ] ． 鱼雷技术， 2 0 1 1 ， 1 9 1 6 8 7 1 ． [ 5 ]宋保维， 黄海． 气动不平衡式鱼雷发射器内弹道流场仿 真研究[ J ] ． 鱼雷技术， 2 0 0 8 ， 1 6 2 4 6 4 9 ． [ 6 ]刘乐华 ， 张宇文， 袁绪龙． 水下大深度垂直发射内流场的 数值研 究 [ J ] ． 水 动力 学研究 与进 展， 2 0 0 5 ， 2 0 1 9 0 9 4 ． [ 7 ]殷崇一， 张宇文， 刘乐华， 等． 导弹水下发射内流场的数 值研究[ J ] ． 弹箭与制导学报， 2 0 0 3 ， 2 3 3 5 6 5 8 ． [ 8 ]翟晓超 ， 陈亚军， 姜毅． 动网格在仿真发射装置内弹道中 的应用[ J ] ． 现代防御技术， 2 0 0 6 ， 3 4 2 2 4 2 8 ． [ 9 ]张华东， 赵国华， 张孝芳． 基于计算流体力学的武器水下 发射过程仿真[ J ] ． 鱼雷技术， 2 0 0 9 ， 1 7 5 6 7 7 1 ． [ 1 0 ]张海军， 刘曜． 水下航行体发射管内流场的数值模拟研 究[ J ] ． 弹箭与制导学报， 2 0 1 2 ， 3 6 2 1 2 8 1 3 0 ． [ 1 1 ]王福军． 计算流体动力学分析一 C F D元件原理与应用 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 ．