劉華坪, 余飛鵬, 張?jiān)狼? 姜博太

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不同頭型魚雷入水沖擊載荷研究

劉華坪1, 余飛鵬1, 張?jiān)狼?, 姜博太1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

采用流體體積函數(shù)(VOF)多相流模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù), 開展了不同長(zhǎng)短軸比橢球頭型魚雷入水過(guò)程及水下航行的動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真研究, 分析了頭型對(duì)魚雷入水最大沖擊載荷特性的影響, 建立了最大沖擊載荷和入水動(dòng)壓及頭型長(zhǎng)短軸比之間的函數(shù)關(guān)系。仿真結(jié)果表明: 魚雷最大沖擊力與入水速度的平方成線性增加關(guān)系; 隨著長(zhǎng)短軸比的增加, 最大沖擊力減小, 且其相對(duì)減小量也隨之減小, 同時(shí)魚雷在水下航行所受的阻力也會(huì)隨長(zhǎng)短軸比的增加而減小。研究結(jié)果可為魚雷入水彈道和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

魚雷; 橢球頭型; 長(zhǎng)短軸比; 入水沖擊

0 引言

魚雷入水問(wèn)題是一個(gè)包含多相流動(dòng)、自由液面和動(dòng)邊界的多場(chǎng)耦合問(wèn)題。入水過(guò)程時(shí)間極短, 參數(shù)變化極其劇烈, 尤其是入水速度較大時(shí), 頭部接觸水面產(chǎn)生的巨大沖擊載荷極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和內(nèi)部?jī)x器失靈, 且可能會(huì)使其運(yùn)動(dòng)軌跡偏離原先彈道, 最終導(dǎo)致入水失效。因此, 如何減小入水沖擊載荷已成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者重要研究方向之一。

對(duì)于魚雷入水問(wèn)題的探索, 最早可以追溯到對(duì)結(jié)構(gòu)物入水的研究。早在1900年, 英國(guó)科學(xué)家Worthington等[1]利用先進(jìn)的照相技術(shù), 針對(duì)小球入水進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 觀察了小球入水時(shí)的流場(chǎng)變化。而Von[2]則通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo), 于1929年提出了入水理論, 以動(dòng)量守恒定律作為出發(fā)點(diǎn), 通過(guò)引入附加質(zhì)量的概念來(lái)解決水上飛機(jī)入水沖擊載荷的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上, 后來(lái)的學(xué)者又提出了多種改進(jìn)的計(jì)算方法。Wagner[3]在1932年提出了小傾斜升角模型的近似平板理論, 并使得該理論成為現(xiàn)代入水理論研究的基礎(chǔ)。Milwitzhy[4]在Wagner的基礎(chǔ)上, 考慮了水上飛機(jī)入水角度的問(wèn)題, 簡(jiǎn)化了Wagner的幾何模型。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 基于先進(jìn)計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)技術(shù)的數(shù)值仿真逐漸成為繼試驗(yàn)研究、理論研究之后最重要的研究方法。陳宇翔等[5]利用流體體積函數(shù)(volume of fluid, VOF)結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù), 模擬了圓柱入水的流場(chǎng)變化及水動(dòng)力曲線, 模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好, 從而驗(yàn)證了數(shù)值方法的可靠性。王煥然等[6]利用Fluent軟件, 模擬了半球圓柱體垂直穿過(guò)氣液分界面的問(wèn)題, 并將圓柱體入水時(shí)模擬的空泡形態(tài)與試驗(yàn)的空泡形態(tài)進(jìn)行了對(duì)比, 得到了圓柱體的入水沖擊載荷。路龍龍[7]對(duì)比了魚雷垂直、傾斜入水時(shí)的載荷, 其中平頭魚雷撞水階段受到的載荷較高。石漢成等[8]研究了半球形、錐形、斜錐形及平頭半球形4種不同頭型水雷的入水過(guò)程, 計(jì)算了入水時(shí)頭部速度和加速度隨時(shí)間的變化, 指出斜錐型頭型能降低水雷入水撞擊載荷。王軍[9]建立魚雷入水三維模型, 分析了不同頭型、速度及入水角度條件下魚雷所受到的沖擊壓力。朱珠等[10]利用Mixture模型, 研究了速度對(duì)入水沖擊載荷的影響規(guī)律。

以上研究表明, 魚雷的頭型是影響其入水沖擊載荷的主要因素之一, 錐頭型可有效減小入水沖擊載荷[8], 但其頭部容積較小, 且不利于水下航行過(guò)程中操縱控制, 并不能用于真實(shí)魚雷中。因此, 文中以流線型魚雷頭型(包括半球頭及不同長(zhǎng)短軸比橢圓球頭)為研究對(duì)象, 探討初始入水速度分別為20 m/s, 30 m/s和40 m/s下入水載荷的變化規(guī)律及其流場(chǎng)演化機(jī)制, 以期為真實(shí)結(jié)構(gòu)魚雷入水彈道和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型和計(jì)算方法

1.1 物理模型

文中所采用的魚雷簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示, 其全長(zhǎng)=2.79 m, 直徑為=0.324 m, 通過(guò)改變魚雷頭部長(zhǎng)度, 進(jìn)行了魚雷頭型長(zhǎng)短軸比2/分別為1, 2, 3的3種不同頭型的入水動(dòng)態(tài)仿真研究。Shi等[11]的研究表明, 結(jié)構(gòu)物垂直入水時(shí)軸對(duì)稱模型與三維計(jì)算結(jié)果差別較小, 因此, 文中也采用軸對(duì)稱簡(jiǎn)化模型, 以提高計(jì)算速度。

1.2 數(shù)值方法

計(jì)算軟件為FLUENT, 采用VOF多相流模型捕捉自由液面, 以期能得到較為精確地自由液面變化, 并采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬魚雷的運(yùn)動(dòng)情況。由于入水速度較大, 可能在局部表面出現(xiàn)空化現(xiàn)象, 采用了Schnerr-Sauce空化模型。湍流模型為k-ε模型, 時(shí)間離散采用2階精度, 空間離散采用2階迎風(fēng)格式, 壓力速度耦合采用PISO方法。

計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件如圖2和圖3所示, 計(jì)算域?yàn)?0m×25m的長(zhǎng)方形區(qū)域, 采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 初始總網(wǎng)格數(shù)為76 000。為了更為精確地捕捉入水氣液界面的演化及局部壓力沖擊特性, 對(duì)魚雷壁面附近的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。此外, 在采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行入水動(dòng)態(tài)模擬時(shí), 通過(guò)在魚雷附近構(gòu)造出一塊伴隨其運(yùn)動(dòng)而不發(fā)生網(wǎng)格變形和重構(gòu)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格區(qū)域, 以保證壁面附近的網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量, 進(jìn)而提高計(jì)算精度; 通過(guò)變形和重構(gòu)技術(shù)來(lái)更新遠(yuǎn)離魚雷區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

1.3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中數(shù)值方法的可靠性, 首先采用文獻(xiàn)[12]中的圓柱體模型進(jìn)行入水流場(chǎng)演化和彈道特性對(duì)比。圓柱體長(zhǎng)度和直徑分別為30 mm和7 mm, 入水初始速度為28.4 m/s。

圖4中分別給出了圓柱體入水0.5倍彈長(zhǎng)和2倍彈長(zhǎng)下自由液面的對(duì)比。由圖可知, 數(shù)值仿真較好地捕捉了入水過(guò)程中自由液面的濺射和液面形態(tài)。圖5為文中仿真彈道與文獻(xiàn)[12]中的仿真彈道對(duì)比曲線, 該圖進(jìn)一步表明, 文中數(shù)值仿真得到入水彈道與試驗(yàn)吻合較好, 尤其是較文獻(xiàn)[12]中的仿真結(jié)果更為接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)無(wú)法直接測(cè)量入水沖擊載荷, 但運(yùn)動(dòng)特性的變化直接反映了水動(dòng)力特性的變化。因此, 文中采用的數(shù)值方法能較好地捕捉入水過(guò)程流場(chǎng)發(fā)展及沖擊載荷特性。

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 入水沖擊對(duì)比

圖6給出了在入水初始速度=20 m/s、30 m/s和40 m/s條件下, 2/分別為1, 2和3時(shí)入水過(guò)程中雷體所受的阻力隨時(shí)間的變化。

由圖6可知, 不同入水速度下3種頭型魚雷所受到的入水阻力變化規(guī)律基本一致。在頭部接觸水面初期, 隨著浸水深度(或沾濕表面)的增加, 由于水的密度遠(yuǎn)大于空氣, 其慣性較大, 魚雷所受的阻力急劇增加, 并達(dá)到一峰值。而后隨著魚雷減速, 沖擊力逐漸減小。當(dāng)2/=1時(shí), 沖擊力達(dá)到峰值后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速下降, 直至達(dá)到穩(wěn)定。而隨著長(zhǎng)短軸比的增加, 沖擊力峰值下降的速度大幅度減小, 下降過(guò)程趨于平緩, 但是到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間會(huì)略微增加。特別值得注意的是, 當(dāng)2/=3時(shí), 魚雷所受到的沖擊阻力峰值僅較入水后的穩(wěn)定阻力值略大。當(dāng)入水速度=20 m/s時(shí), 3種頭型魚雷的沖擊力峰值分別為20.5 kN、8.4 kN和4.6 kN。當(dāng)入水速度增加到=30 m/s時(shí), 峰值分別為38.7 kN、15.4 kN和8.8 kN。當(dāng)速度繼續(xù)增長(zhǎng)到=40 m/s時(shí), 峰值分別為64.8 kN、27.5 kN和15.3 kN。因此, 由上述峰值數(shù)值可知, 相同入水速度下, 增加頭型長(zhǎng)短軸比可顯著減小入水沖擊載荷, 但減小量逐漸降低; 同一頭型魚雷, 入水速度增加, 沖擊力急劇增加。在入水后, 魚雷航行所受的阻力隨長(zhǎng)短軸比的增加而減小。

圖8進(jìn)一步給出了不同的入水速度下3種頭型魚雷所受到的最大入水沖擊力峰值對(duì)比, 其中橫坐標(biāo)采用入水速度平方值。從圖中可以看出, 各頭型魚雷所受到的最大沖擊力與入水速度的平方近似成線性增加關(guān)系。對(duì)其沖擊峰值曲線進(jìn)行擬合可得到

式中:為水的密度;為入水速度;和為頭型長(zhǎng)短軸比的二次函數(shù), 其表達(dá)式分別為

采用以上公式, 可在文中所研究的入水速度范圍內(nèi)較好地預(yù)測(cè)入水最大沖擊載荷。

綜合圖6~8可知, 當(dāng)2/從1增加到2的時(shí)候, 魚雷所受到的最大入水沖擊力大幅度下降。而當(dāng)2/從2增加到3的時(shí)候, 魚雷所受到的最大入水沖擊力下降的幅度明顯降低, 即隨著2/的增加, 最大沖擊力隨速度平方值增大而增加的趨勢(shì)減緩。由此可以推測(cè), 若繼續(xù)增加2/的值, 該參數(shù)的變化對(duì)魚雷最大入水沖擊力的影響將會(huì)逐漸減小。

由于最大沖擊力是魚雷整體受力, 無(wú)法反映魚雷局部受力, 因此, 圖9進(jìn)一步給出了2/=1和2/=3頭型魚雷所受到的沖擊力與頭部最大沖擊壓強(qiáng)max的時(shí)間歷程對(duì)比。

如圖9所示, 在某一時(shí)間點(diǎn)上, 魚雷頭部局部受到的壓強(qiáng)將急劇增加, 隨后又急劇減小, 整個(gè)壓強(qiáng)脈沖持續(xù)的時(shí)間比最大沖擊力的持續(xù)時(shí)間要短。同時(shí), 壓強(qiáng)最大值的出現(xiàn)時(shí)間要早于最大沖擊力的出現(xiàn)時(shí)間。表1給出了不同條件下壓強(qiáng)最大值與最大沖擊力出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)比。

通過(guò)表1可以看出, 在相同的條件下, 壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)的時(shí)間均比最大沖擊力出現(xiàn)的時(shí)間提前, 這種規(guī)律不隨頭型和速度變化而改變。造成壓強(qiáng)最大值和最大沖擊力出現(xiàn)時(shí)間不重合的原因在于魚雷的頭型: 由于最大沖擊力是魚雷的整體受力, 而壓強(qiáng)最大值是魚雷頭部的局部表現(xiàn), 因此, 當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到最大值時(shí), 魚雷頭部只有部分沾濕, 且水具有流動(dòng)和變形的特性, 僅在沾濕區(qū)域內(nèi)壓力較大, 即局部的壓強(qiáng)先達(dá)到最大值, 而魚雷所受合力未達(dá)到峰值。隨著魚雷繼續(xù)入水, 由于沾濕面積的增加, 導(dǎo)致沖擊力也會(huì)隨之增加。同時(shí)由于入水后速度減小, 最大沖擊壓強(qiáng)逐漸減小。當(dāng)沖擊力達(dá)到峰值時(shí), 魚雷頭部所受到的壓強(qiáng)已經(jīng)明顯下降。而隨著魚雷頭型由半球型向橢球型的轉(zhuǎn)變, 2個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間差隨之增大。

表1 不同速度下3種頭型魚雷頭部最大壓強(qiáng)值與魚雷最大入水沖擊力出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)比

2.2 入水流場(chǎng)對(duì)比

為了揭示不同頭型魚雷入水沖擊載荷的機(jī)制, 對(duì)入水過(guò)程自由液面演化及壓力等流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。

圖10給出了不同時(shí)刻下2/為1和3的魚雷以=40 m/s速度入水時(shí)頭部觸水后液面及壓力對(duì)比。圖中壓力的取值范圍均保持一致, 左邊對(duì)應(yīng)的頭型為2/=1, 右邊為2/=3。從圖中可以看到, 隨著時(shí)間的推移, 魚雷頭部由于撞水而產(chǎn)生的高壓峰值均有所減小, 而其影響的范圍隨之增大。在同一時(shí)刻下, 長(zhǎng)短軸比越大頭型的魚雷, 其高壓區(qū)的范圍更小。

當(dāng)2/=1時(shí), 魚雷入水過(guò)程中沾濕面積增加速度較大, 頭部浸水過(guò)程需排開的水量也較大, 而水的密度和慣性大, 即魚雷入水在短時(shí)間內(nèi)排開水的體積越大, 所受到慣性阻礙作用越明顯, 且運(yùn)動(dòng)流體會(huì)受遠(yuǎn)離頭部區(qū)域靜止水體的阻礙, 從而使得頭部附近高壓區(qū)范圍較大。此外, 魚雷頭部中心液體在向兩側(cè)排開的過(guò)程中會(huì)受到快速入水魚雷頭部側(cè)表面外圍區(qū)域的二次擠壓, 從而使得側(cè)面壓力數(shù)值及整個(gè)頭部附近的高壓區(qū)范圍進(jìn)一步增加。在入水沖擊壓力到達(dá)峰值后, 隨著魚雷進(jìn)一步入水, 頭部沾濕的面積增加速度減小, 由于周圍水體受擠壓而迅速排開, 壓力急劇減小, 頭部總阻力也最終趨近一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。

當(dāng)長(zhǎng)短軸比增加時(shí), 由于魚雷直徑保持不變, 結(jié)合其幾何特征可知, 在相同的浸水深度或者說(shuō)沾濕深度下, 橢球頭型比半球型的沾濕面積變化率緩慢, 相當(dāng)于減小了壓力和沖擊載荷增加的速度。此外, 橢球頭型具有更好的流線型特性, 高壓區(qū)沿壁面切線的壓力梯度變化較為緩和(如圖11所示), 即被排開的流體將會(huì)更加容易沿壁面切線向尾部相對(duì)運(yùn)動(dòng), 減小了壁面對(duì)該部分流體微元的擠壓作用, 也相當(dāng)于流體將所受法向壓力轉(zhuǎn)化為流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的切向摩擦, 從而減小了入水沖擊阻力。

3 結(jié)論

文中采用數(shù)值仿真方法, 研究了不同長(zhǎng)短軸比的橢球型魚雷入水過(guò)程中的最大沖擊載荷變化規(guī)律和機(jī)制, 并建立了最大沖擊載荷和入水動(dòng)壓及頭型長(zhǎng)短軸比間的函數(shù)關(guān)系, 得出以下結(jié)論:

1) 相同頭型下, 魚雷入水最大沖擊力隨著入水初始速度的增加而增大, 最大沖擊力與速度的平方近似成線性關(guān)系;

2) 增加頭部長(zhǎng)短軸比可以減小魚雷的入水最大沖擊載荷及水中航行阻力, 但該減小量隨長(zhǎng)短軸比的增加而逐漸減小;

3) 魚雷入水最大沖擊力的出現(xiàn)時(shí)間滯后于頭部最大壓強(qiáng)的出現(xiàn)時(shí)間。

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Analyzing Water-Entry Impact Load on Torpedo with Different Head Types

LIU Hua-ping1, YU Fei-peng1, ZHANG Yue-qing2, JIANG Bo-tai1

(1.Harbin Institute of Technology, School of Energy Science and Engineering, Harbin 150001, China; 2.The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The water entry process and underwater navigation of the ellipsoid head type torpedoes with different long-to-short axial ratio are numerically simulated with fluid volume function(VOF) multiphase flow model and dynamic mesh.The influence of head type on the maximum impact load characteristics of a torpedo during water entry process is analyzed.The functional relation of the maximum impact with the dynamic pressure of water entry and the long-to-short axial ratio of torpedo head is established.The results show that: 1) the maximum impact during water entry increases linearly with the square of the initial impact velocity; 2) with the long-to-short axial ratio of the head increasing, the maximum impact as well as its relative reduction decrease, and the resistance to the torpedo in underwater navigation also reduces.This research may offer a reference for torpedo’s water-entry trajectory and structure design.

torpedo; ellipsoid head type; long-to-short axial ratio; water-entry impact

TJ630.1; TP391.92

A

2096-3920(2018)06-0527-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.003

2018-06-14;

2018-07-09.

劉華坪(1983-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅髁黧w動(dòng)力學(xué).

劉華坪,余飛鵬,張?jiān)狼?等.不同頭型魚雷入水沖擊載荷研究[J].水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(6): 527-532.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)