周笑飛，姜毅，牛鈺森，拜云山，鄧佳

(北京理工大學, 北京 100081)

0 引言

水下發(fā)射過程中，海水在導彈出筒后將倒灌入發(fā)射筒中會產(chǎn)生水錘效應，這一效應對發(fā)射裝置結構和動態(tài)特性產(chǎn)生影響，對這一過程研究還處于起步階段，相關研究較少。倪火才[1]曾對實驗得到的水錘現(xiàn)象進行過理論性的研究，王亞東[2]曾對筒口氣泡特性進行研究，王漢平[3]曾對潛射過程的后效應進行分析，這些研究均未涉及到之后發(fā)射筒的注水階段，而發(fā)射筒注水本身是一個復雜的汽液兩相流相互作用的過程，有進一步研究的必要。由于三維模型在模擬兩相流過程中速度較慢且不穩(wěn)定，以往對水下發(fā)射過程研究主要采用二維模型[4]，這需要忽略筒蓋對流場的影響，事實上筒蓋對發(fā)射過程、尤其是注水過程流場的流動情況影響十分顯著，因此本次仿真對注水過程建立了三維模型[5]，并添加了筒蓋結構。

本文采用FLUENT軟件進行研究，使用了 Mixture 兩相流計算模型來求解氣液兩相流場，使用了動網(wǎng)格技術以及自主編輯UDF程序，對注水過程進行仿真。下面簡要介紹仿真結論。

1 物理模型與計算模型

1.1 物理模型

本文采用的模型由發(fā)射筒、筒蓋、導彈組成，發(fā)射筒內注滿均勻的燃氣，導彈初始位置位于筒口，其余流場注滿海水，由于水下存在壓力梯度，因此利用自定義函數(shù)對海水區(qū)域壓力進行賦值，利用UDF對邊界壓力進行賦值。仿真過程由導彈從筒口[6]初始位置向上運動開始，動網(wǎng)格采用UDF進行編程，速度為實驗中得到的導彈運動速度。導彈向上運動，最終離開水面；發(fā)射筒內外的氣、液兩相相互作用，產(chǎn)生復雜的流動現(xiàn)象。圖1～4分別為筒部網(wǎng)絡模型，發(fā)射筒蓋網(wǎng)絡模型，海水計算網(wǎng)絡及拼接后整體模型示意圖。

圖1 筒部網(wǎng)格模型Fig.1 Mesh of the launch tube

圖2 發(fā)射筒蓋網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh of the launch tube cover

圖3 海水計算域網(wǎng)格Fig.3 Mesh of the water area

計算時利用FLUENT將幾部分模型拼接在一起進行計算，為了今后對不同彈徑、開蓋角度、發(fā)射深度進行更細致的研究，因此在建模初期對模型采用了模塊化處理。

圖4 拼接后整體模型示意圖Fig.4 Overall model after stitching

1.2 計算模型

仿真過程中，采用有限體積法[7]對流場的控制方程進行離散化處理；氣液兩相流的流場采用 Mixture 多相[8]流模型進行求解；湍流模型選用 RNGk-ε模型[9]；

(1)

(2)

壁面設置為標準壁面函數(shù)；網(wǎng)格采用動態(tài)分層法進行更新[10]。

在一些研究空泡[11]問題的文章中，汽化模型非常重要，但本文并不關注彈頭位置的汽化作用，且研究過程中發(fā)現(xiàn)，所處位置壓力越大(水深越深)，海水越難以汽化。由于工質氣體與海水作用位置壓力較大，汽化對水下發(fā)射的后效應及注水過程影響較小，不影響流場的流動特性，為簡化計算，本文并未使用汽化模型。

2 仿真結果與比較

導彈按給定速度向上運動，導彈尾部氣體被抽吸形成尾部氣泡，隨著導彈向上運動，尾部氣泡逐漸拉長、并最終被拉斷，現(xiàn)象與以往對發(fā)射后效應的研究結果一致。由于筒蓋的影響，導彈尾部的空泡具有明顯的不對稱性。

各體積分數(shù)云圖(圖5)中，紅色為氣體，藍色代表海水，過渡顏色為氣、液相組分相混合。

圖5 發(fā)射筒口空泡氣體體積分數(shù)云圖Fig.5 Gas volume fraction cloud map of the launch tube

水下氣泡斷裂后，由于筒蓋造成的影響，使得海水沿筒蓋流入筒中。

海水注入發(fā)射筒后，產(chǎn)生第1道水錘效應。觀察可知，水錘效應發(fā)生時，并未出現(xiàn)大量海水集中作用在發(fā)射筒底部。倪火才認為水錘效應是由于海水的沖擊以及壓縮海水隨之產(chǎn)生的壓縮波共同作用形成的，但仿真結果表明，海水能否大量直接撞擊筒底和發(fā)射深度以及筒內平均壓力有很大關系。分析結果發(fā)現(xiàn)，水錘效應主要產(chǎn)生的原因是海水在注入發(fā)射筒過程壓縮筒內殘留的工質氣體所產(chǎn)生的壓縮波，這些壓縮波相互疊加，最終到達發(fā)射筒底部形成水錘效應。

空泡斷裂后氣體體積分數(shù)云圖如圖6所示；筒內注水置達到最大時氣體體積分數(shù)云圖如圖7所示。

圖6 空泡斷裂后氣體體積分數(shù)云圖Fig.6 Gas volume fraction cloud map after the vacuoles fracture

圖7 筒內注水量達到最大時氣體體積分數(shù)云圖Fig.7 Gas volume fraction cloud map of the max water in launch tube

通過仿真得到第1個周期內筒內壓力與注水量數(shù)據(jù)，并對比實驗得到的結果，進行如下分析。實驗得到的全階段水錘作用圖如圖8所示。

圖8 實驗得到的全階段水錘作用圖Fig.8 Experiment result of water hammer’s full-stage mechanism

圖9 仿真得到的水錘作用第一周期筒底壓力與注水量圖Fig.9 Pressure and water injection of the first water hammer cycle at the bottom of the launch tube

觀察筒底壓力曲線和注水量曲線(圖9)可以發(fā)現(xiàn)：t0～t1時間段內，海水受重力作用注入發(fā)射筒后，壓縮筒內氣體，形成壓縮波沖擊筒底，形成水錘效應；t1～t2時間段內，壓縮波撞擊筒底后反彈[12]，此時壓縮波還未到達注入筒內海水的位置，筒內氣體繼續(xù)被壓縮，海水繼續(xù)注入發(fā)射筒；t2～t3時間段內，筒內氣體被壓縮后壓力增大，壓縮波在開口端反射為膨脹波，筒內氣體開始膨脹并將本已注入發(fā)射筒內的海水再次擠出發(fā)射筒，部分工質氣體在這一過程中排出發(fā)射筒；t3～t4時間段內，膨脹波在筒底反射，氣體繼續(xù)膨脹，氣體壓力進一步減小，海水繼續(xù)向筒外排出。此后筒底壓力和注水量將按此規(guī)律變化，變化過程中，由于能量損失以及氣體、海水壓力差不斷減小，水錘能量不斷減小，水錘峰值不斷降低。

對比仿真與實驗對比，與實驗結果相符度高，可以認為仿真結果可靠。

3 結論

(1) 對發(fā)射筒欠水過程進行分析，并與類似實驗結果比對，驗證了仿真的可靠性與可行性。

(2) 通過對仿真結果的分析，得出水錘現(xiàn)象的主要成因是由于海上壓縮筒內剩余氣體產(chǎn)生的壓縮波撞擊筒底引起的。

(3) 在發(fā)射筒注水過程中，筒底的壓力先上升后下降，出現(xiàn)明顯的水錘現(xiàn)象。

(4) 發(fā)射筒注水過程的第1個周期中，注水量也呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象，這是由于筒內產(chǎn)生膨脹波將已經(jīng)注入筒內海水擠壓出筒外引起的。

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