王賢明，段　浩，王　云

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

基于CFD的假海試驗(yàn)設(shè)施魚(yú)雷接收管數(shù)值仿真

王賢明，段浩，王云

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

魚(yú)雷接收管是假海試驗(yàn)設(shè)施的重要組成部分，其主要作用是接收發(fā)射出管、沿導(dǎo)向管而來(lái)的魚(yú)雷，并使其減速、停止在接收管中。文中采用商用CFD軟件，使用剪切壓力傳輸（SST）k-w模型并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，仿真了在一系列參數(shù)條件下魚(yú)雷進(jìn)入接收管的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。仿真中分別考慮了接收管的內(nèi)半徑、管長(zhǎng)及雷速等參數(shù)，得到了這些參數(shù)對(duì)魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響。仿真結(jié)果表明，魚(yú)雷進(jìn)入接收管由于受水體作用的影響，具有明顯的非線(xiàn)性特征。仿真結(jié)果可為接收管設(shè)計(jì)提供驗(yàn)證和支撐。

魚(yú)雷接收管； 假海實(shí)驗(yàn)設(shè)施； 發(fā)射； 非線(xiàn)性； 動(dòng)網(wǎng)格

0　引言

假海是支撐大深度雷彈發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)試驗(yàn)設(shè)施的主要組成部分［1］，為水下多種武器發(fā)射提供大深度模擬水深的發(fā)射試驗(yàn)環(huán)境。通過(guò)假海可進(jìn)行諸多發(fā)射裝置研發(fā)過(guò)程中必不可少的相關(guān)試驗(yàn)研究，相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果可以及時(shí)反饋到研制過(guò)程中，提高發(fā)射裝置的可靠性和安全性，有效降低系泊試驗(yàn)、實(shí)航試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，縮短研制周期。

接收管作為假海試驗(yàn)設(shè)施的重要組成部分，主要作用是在魚(yú)雷經(jīng)發(fā)射管發(fā)射出管后對(duì)其減速及回收。影響接收管效用的主要參數(shù)有接收管長(zhǎng)度、管內(nèi)壁半徑及接收管形狀等，這些參數(shù)的合理性將直接影響接收管是否可以有效使魚(yú)雷減速并停止，防止魚(yú)雷撞擊破壞假海筒體。

由于魚(yú)雷進(jìn)入接收管后會(huì)引起管內(nèi)水體復(fù)雜流動(dòng)，水流會(huì)直接影響?hù)~(yú)雷的受力及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并且由于雷速不斷下降，雷諾數(shù)由高到低變化，需要考慮魚(yú)雷受到的粘性力作用，因此采用基于有限體積法的CFD計(jì)算方法對(duì)魚(yú)雷進(jìn)入接收管的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。

1　模型的建立

1.1計(jì)算域選取

魚(yú)雷回收過(guò)程中的流場(chǎng)模型在水平面和豎直平面內(nèi)均為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，可將其簡(jiǎn)化為2D軸對(duì)稱(chēng)模型。此外，魚(yú)雷和導(dǎo)軌、接收管之間間隙極小，魚(yú)雷的運(yùn)動(dòng)軌跡基本一直保持在接收管中心軸線(xiàn)上。同時(shí)，由于武器在水中的負(fù)浮力較小并且回收過(guò)程主要關(guān)注魚(yú)雷軸向速度變化，因此可以忽略重力、導(dǎo)軌摩擦力等因素，并忽略魚(yú)雷的垂向運(yùn)動(dòng)。此外為了便于網(wǎng)格劃分以及數(shù)值仿真，將魚(yú)雷簡(jiǎn)化為不帶鰭、舵、槳的回轉(zhuǎn)體。

文中選取圓柱型接收管作為研究對(duì)象進(jìn)行建模分析。魚(yú)雷進(jìn)入接收管后會(huì)立即引起管內(nèi)水體的劇烈運(yùn)動(dòng)，為使雷體進(jìn)入接收管前得到合理的流場(chǎng)，選擇距離接收管入口1.5 m的位置作為仿真計(jì)算的初始位置（如圖1中點(diǎn)O所示位置）。計(jì)算域及坐標(biāo)系如圖1所示，計(jì)算區(qū)域采用2D軸對(duì)稱(chēng)，旋轉(zhuǎn)軸為OX，其中OE為11 m，DE為3.5 m。

圖1　計(jì)算域及坐標(biāo)系Fig. 1　Calculation domain and coordinate system

1.2網(wǎng)格劃分

由于模型較大且魚(yú)雷與接收管之間間隙極小，如果使用三角形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分將產(chǎn)生數(shù)量巨大的網(wǎng)格； 同時(shí)選擇三角形網(wǎng)格的劃分方式就意味著在使用動(dòng)網(wǎng)格的過(guò)程中，網(wǎng)格更新方式［2］只能使用彈性光順?lè)ê途W(wǎng)格重構(gòu)法，這不僅對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求極高，而且針對(duì)如此復(fù)雜的接收過(guò)程仿真計(jì)算很難收斂。為了兼顧網(wǎng)格生成質(zhì)量、數(shù)量以及在運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)時(shí)選取鋪層法，文中選擇了四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，并對(duì)雷體周?chē)鷧^(qū)域采用C形拓?fù)洌?］。

如前所述，魚(yú)雷在接收過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線(xiàn)，因此采用鋪層法進(jìn)行網(wǎng)格的生成和消除。鋪層法要求對(duì)網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行動(dòng)、靜網(wǎng)格區(qū)域分區(qū)。由于魚(yú)雷和導(dǎo)軌、回收管之間存在間隙，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和靜網(wǎng)格區(qū)域運(yùn)用FLUENT提供的滑移網(wǎng)格技術(shù)［4］使兩部分網(wǎng)格連接起來(lái)。

圖2　網(wǎng)格劃分Fig. 2　meshing

圖3　網(wǎng)格局部放大Fig. 3　Local amplification of grid

1.3算例參數(shù)選擇

文中主要針對(duì)圓柱形式接收管進(jìn)行計(jì)算分析，分別選取管長(zhǎng)為9 m及13 m，管內(nèi)壁半徑為0.300 m、0.295 m、0.285 m，魚(yú)雷直徑為0.533 m，魚(yú)雷距接收管口1.5 m，起始速度分別為10 m/s、15 m/s。根據(jù)不同的參數(shù)組合，共完成8個(gè)算例的計(jì)算，詳細(xì)算例參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1　各算例的參數(shù)設(shè)置Table 1　Parameters setting in numerical examples

1.4流場(chǎng)邊界條件

邊界條件設(shè)置［5］: 速度入口為DE； 壓力出口為CD； 其余均為壁面邊界條件。

魚(yú)雷的運(yùn)動(dòng)速度可在每個(gè)時(shí)間步流場(chǎng)計(jì)算收斂后由UDF計(jì)算得到，具體方式是: 在得到每個(gè)時(shí)間步的魚(yú)雷受力后，根據(jù)牛頓第二定律得到魚(yú)雷加速度，魚(yú)雷的速度和位移即通過(guò)對(duì)加速度積分得到。魚(yú)雷加速度公式［6］由式（1）確定。

式中:PT，PH分別為魚(yú)雷前后壓力值，即為魚(yú)雷前后壓差力； S為魚(yú)雷濕周面積； f為魚(yú)雷受到的粘性阻力； Fm為魚(yú)雷與假海中導(dǎo)軌的機(jī)械摩擦阻力，由于魚(yú)雷的負(fù)浮力較小，計(jì)算中將該力忽略。其中，和f均可通過(guò)UDF使用FLUENT提供的宏對(duì)魚(yú)雷表面進(jìn)行積分獲得［7］。仿真中使用了FLUENT提供的定義面上受力及力矩的宏函數(shù)“COMPUTE_ FORCE_ AND_MOMENT”和提供重心移動(dòng)的宏函數(shù)“DEFINE_CG_MOTION”。前者可輸出實(shí)時(shí)的物面壓力積分值，后者用于定義動(dòng)網(wǎng)格以及固壁邊界運(yùn)動(dòng)。

1.5求解器設(shè)置

整個(gè)計(jì)算域內(nèi)流體均為不可壓縮的，在FLUENT中選擇基于壓力的瞬態(tài)求解器； 由于魚(yú)雷航速隨著時(shí)間的推進(jìn)不斷下降，雷諾數(shù)由高到低變化，因此湍流模型選擇采用雷諾數(shù)適用范圍廣的SSTk- w模型； 壓力速度耦合采用SIMPLEC；為保證仿真精度，壓力的空間離散采用PRESTO！格式，其余均采用高階QUICK格式。

2　計(jì)算結(jié)果及分析

2.1計(jì)算結(jié)果

在各算例計(jì)算過(guò)程中，對(duì)每個(gè)時(shí)間步魚(yú)雷的位移及速度分別進(jìn)行輸出，因此得到魚(yú)雷在接收過(guò)程中的航速、位移變化（如圖4和圖5所示）。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看到，魚(yú)雷進(jìn)入接收管有明顯的減速過(guò)程，在2 s內(nèi)魚(yú)雷航速可下降至較小的狀態(tài)，但是魚(yú)雷還在微弱外力的作用下緩慢運(yùn)動(dòng)，從而使魚(yú)雷位移變化結(jié)果各算例間存在一定差異。

圖4　不同起始雷速條件下魚(yú)雷航速的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 4　Comparison among speed calculations of a torpedo with different starting speeds

為說(shuō)明接收管內(nèi)流場(chǎng)的壓力變化過(guò)程，以 C-2算例為例對(duì)不同時(shí)刻的流場(chǎng)壓力云圖結(jié)果進(jìn)行輸出，如圖6所示。由計(jì)算結(jié)果可知，魚(yú)雷頭部在進(jìn)入接收管管口后，接收管內(nèi)壓力迅速上升，隨后接收管內(nèi)壓力通過(guò)魚(yú)雷與接收管的間隙迅速釋放，管內(nèi)壓力的升高阻礙了雷體的入管運(yùn)動(dòng)并降低了雷速，但隨著管內(nèi)壓力下降魚(yú)雷受到的阻力也隨之下降。對(duì)于高航速魚(yú)雷進(jìn)入接收管內(nèi)將魚(yú)雷進(jìn)入接收管內(nèi)產(chǎn)生的壓力較低則使雷速下降較慢，因此魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)與水體運(yùn)動(dòng)相互耦合具有明顯的非線(xiàn)性特征，這也說(shuō)明了圖4中不同航速魚(yú)雷進(jìn)入接收管的運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有明顯差異的原因。

圖5　不同起始雷速條件下魚(yú)雷位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 5　Comparison among displacement calculations of a torpedo with different starting speeds

圖6　不同時(shí)刻的流場(chǎng)壓力云圖(D-1)Fig. 6　Pressure contour of flow field at different moment(torpedo D-1)

現(xiàn)取坐標(biāo)（-4，0.05）點(diǎn)（位于接收管內(nèi)）處不同時(shí)刻的壓力情況來(lái)觀察接收管內(nèi)壓力變化情況，如表2。由表中數(shù)據(jù)可知，魚(yú)雷頭部在進(jìn)入接收管管口后，接收管內(nèi)壓力迅速上升，很短的時(shí)間內(nèi)就增加到很大的壓力，隨后接收管內(nèi)壓力通過(guò)魚(yú)雷與接收管的間隙迅速釋放，在3 s左右就下降到不足最高壓力的0.000 1。

表2　(–4, 0.05)點(diǎn)處的壓力變化情況Table 2　Change of pressure at point (-4, 0.05)

2.2結(jié)果分析

文中計(jì)算對(duì)每個(gè)算例設(shè)置了不同的接收管內(nèi)半徑、管長(zhǎng)及魚(yú)雷初速度等參數(shù)，通過(guò)結(jié)果分析可以得到3個(gè)參數(shù)對(duì)魚(yú)雷回收運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響，進(jìn)而為接收管的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1）接收管內(nèi)半徑對(duì)魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)的影響

圖7是相同管長(zhǎng)、相同魚(yú)雷初速條件下不同接收管內(nèi)半徑下的計(jì)算結(jié)果比較，可以看到進(jìn)入間隙越小的接收管魚(yú)雷減速過(guò)程越快，這主要是因?yàn)殚g隙直接影響到接收管內(nèi)水體的排出速率，間隙較大時(shí)接收管的水體排出較快，使得管內(nèi)壓力下降較快，因此魚(yú)雷航行阻力相對(duì)較小。

由結(jié)果可知，接收管的內(nèi)半徑越小越有利于雷體減速。經(jīng)分析，當(dāng)接收管內(nèi)半徑＞0.59 m時(shí)雷體減速效果較差。

2）魚(yú)雷初速度對(duì)接收管減速效果的影響

從圖4可以看到，初速度越高的魚(yú)雷在進(jìn)入接收管的初期速度衰減的越快，這是因?yàn)轸~(yú)雷速度越高，受到的阻尼力也越大，物體受到的沖擊也較大，速度因而衰減的快； 在初始的劇烈運(yùn)動(dòng)中，速度快速下降，之后的速度變化就很小了，魚(yú)雷初速對(duì)這一情況的影響不是很大。圖8是算例A-1及A-2在0.3 s時(shí)刻的速度云圖，可以看到，魚(yú)雷初速度越高進(jìn)入接收管后引起的流動(dòng)越劇烈，受到影響的水體流域越廣，對(duì)應(yīng)的魚(yú)雷動(dòng)能損失越快。這表明了魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)與水體運(yùn)動(dòng)之間復(fù)雜的耦合關(guān)系。

圖7　 不同接收管內(nèi)半徑的魚(yú)雷航速計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 7　Comparison among calculations of torpedo speed for different inside radii of receiving tube

圖8　t=0.3 s的A-1與A-2魚(yú)雷的速度云圖Fig. 8　Velocity contour of torpedo A-1 and A-2 when t=0.3 s

3）管長(zhǎng)對(duì)接收管減速效果的影響

通過(guò)B-1、B-2、C-1、C-2算例的結(jié)果比較可以分析接收管管長(zhǎng)對(duì)魚(yú)雷減速效果的影響（如圖9所示）。通過(guò)結(jié)果對(duì)比可以看到，接收管長(zhǎng)度對(duì)減速效果影響較小，魚(yú)雷在2 s后速度出現(xiàn)細(xì)微的差異，通過(guò)比較分析長(zhǎng)管的減速效果略勝于短管。

圖9　不同管長(zhǎng)條件下魚(yú)雷航速計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 9　Comparison among calculations of torpedo speed for different lengths of receiving tube

3　結(jié)論

通過(guò)以上一系列的計(jì)算結(jié)果分析可以得到以下結(jié)論。

1）在魚(yú)雷初速小于15 m/s的情況下，從內(nèi)半徑越小魚(yú)雷減速效果越明顯的角度來(lái)看，應(yīng)盡可能減小接收管內(nèi)半徑，但過(guò)于減小接收管內(nèi)半徑會(huì)導(dǎo)致魚(yú)雷與管壁間隙太小，可能會(huì)造成卡管現(xiàn)象，綜合考慮之下，可取接收管內(nèi)半徑為0.575～ 0.585 m。

2）接收管的管長(zhǎng)對(duì)魚(yú)雷管內(nèi)運(yùn)動(dòng)影響不是很明顯，長(zhǎng)管略微優(yōu)于短管，可以在保證魚(yú)雷回收安全的前提下優(yōu)先考慮短管。

［1］ 董明陽(yáng)，王云，段浩. 假海試驗(yàn)設(shè)施復(fù)雜內(nèi)流場(chǎng)仿真［J］.魚(yú)雷技術(shù)，2015，23（1）: 66-70.

Dong Ming-yang，Wang Yun，Duan Hao. Simulation on Complicated Inner Flow Field in False Sea Test Facility［J］. Torpedo Technology，2015，23（1）: 66-70.

［2］ 隋洪濤，李鵬飛，馬世虎，等. 精通CFD動(dòng)網(wǎng)格工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)［M］. 北京: 人民郵電出版社，2013.

［3］ 紀(jì)兵兵，陳金瓶. ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解［M］. 北京: 中國(guó)水利水電出版社，2012.

［4］ 江帆，黃鵬. FLUENT高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［5］ 韓占忠，王敬，蘭小平. Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］. 北京: 北京理工大學(xué)出版社，2004.

［6］ 練永慶，王樹(shù)宗. 魚(yú)雷發(fā)射裝置設(shè)計(jì)原理［M］. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

［7］ ANSYS Inc. FLUENT User′s Guide［M］. United States: ANSYS Inc，2003.

（責(zé)任編輯: 許妍）

Numerical Simulation of Torpedo Receiving Tube of False Sea Test Facility Based on CFD

WANG Xian-ming，DUAN Hao，WANG Yun
（Kunming Branch of the 705 Research Institute，China Shipbuilding Corporation，Kunming 650118，China）

Receiving tube is an important component of false sea test facility. Its main function is to receive the launched torpedo coming along guide pipe，and to make the torpedo slow down and stop in it. In this study，the motion processes of a torpedo into the receiving tube are simulated with a series of parameters by making use of the shear stress transmission（SST）k- wmodel and dynamic mesh in the commercial software CFD. The parameters include the receiving tube′s inside radii and length，the torpedo speed，etc. The effects of these parameters on the torpedo motion process are acquired. Simulations show that the process of a torpedo entering into the receiving tube has obvious nonlinear characteristics due to the effect of water. The simulation results may provide verification and support for design of receiving tube.

torpedo receiving tube； false sea test facility； launch； nonlinear； dynamic mesh

TJ635

A

1673-1948（2015）05-0388-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.013

2015-07-21；

2015-08-13.

王賢明（1991-），男，在讀碩士，研究方向?yàn)樗掳l(fā)射技術(shù).