不同頭型魚雷入水沖擊載荷研究

劉華坪, 余飛鵬, 張岳青, 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, 張岳青2, 姜博太1

(1.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 2.中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

采用流體體積函數(VOF)多相流模型和動網格技術, 開展了不同長短軸比橢球頭型魚雷入水過程及水下航行的動態數值仿真研究, 分析了頭型對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壓及頭型長短軸比之間的函數關系。仿真結果表明: 魚雷最大沖擊力與入水速度的平方成線性增加關系; 隨著長短軸比的增加, 最大沖擊力減小, 且其相對減小量也隨之減小, 同時魚雷在水下航行所受的阻力也會隨長短軸比的增加而減小。研究結果可為魚雷入水彈道和結構設計提供參考。

魚雷; 橢球頭型; 長短軸比; 入水沖擊

0 引言

魚雷入水問題是一個包含多相流動、自由液面和動邊界的多場耦合問題。入水過程時間極短, 參數變化極其劇烈, 尤其是入水速度較大時, 頭部接觸水面產生的巨大沖擊載荷極易導致結構破壞和內部儀器失靈, 且可能會使其運動軌跡偏離原先彈道, 最終導致入水失效。因此, 如何減小入水沖擊載荷已成為了國內外學者重要研究方向之一。

對于魚雷入水問題的探索, 最早可以追溯到對結構物入水的研究。早在1900年, 英國科學家Worthington等[1]利用先進的照相技術, 針對小球入水進行了試驗研究, 觀察了小球入水時的流場變化。而Von[2]則通過系統的數學推導, 于1929年提出了入水理論, 以動量守恒定律作為出發點, 通過引入附加質量的概念來解決水上飛機入水沖擊載荷的問題。在此基礎上, 后來的學者又提出了多種改進的計算方法。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代入水理論研究的基礎。Milwitzhy[4]在Wagner的基礎上, 考慮了水上飛機入水角度的問題, 簡化了Wagner的幾何模型。

隨著計算機技術的飛速發展, 基于先進計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)技術的數值仿真逐漸成為繼試驗研究、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(volume of fluid, VOF)結合動網格技術, 模擬了圓柱入水的流場變化及水動力曲線, 模擬結果與試驗吻合較好, 從而驗證了數值方法的可靠性。王煥然等[6]利用Fluent軟件, 模擬了半球圓柱體垂直穿過氣液分界面的問題, 并將圓柱體入水時模擬的空泡形態與試驗的空泡形態進行了對比, 得到了圓柱體的入水沖擊載荷。路龍龍[7]對比了魚雷垂直、傾斜入水時的載荷, 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程, 計算了入水時頭部速度和加速度隨時間的變化, 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, 研究了速度對入水沖擊載荷的影響規律。

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程中操縱控制, 并不能用于真實魚雷中。因此, 文中以流線型魚雷頭型(包括半球頭及不同長短軸比橢圓球頭)為研究對象, 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律及其流場演化機制, 以期為真實結構魚雷入水彈道和結構設計提供參考。

1 物理模型和計算方法

1.1 物理模型

文中所采用的魚雷簡化結構如圖1所示, 其全長=2.79 m, 直徑為=0.324 m, 通過改變魚雷頭部長度, 進行了魚雷頭型長短軸比2/分別為1, 2, 3的3種不同頭型的入水動態仿真研究。Shi等[11]的研究表明, 結構物垂直入水時軸對稱模型與三維計算結果差別較小, 因此, 文中也采用軸對稱簡化模型, 以提高計算速度。

1.2 數值方法

計算軟件為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, 并采用動網格技術模擬魚雷的運動情況。由于入水速度較大, 可能在局部表面出現空化現象, 采用了Schnerr-Sauce空化模型。湍流模型為k-ε模型, 時間離散采用2階精度, 空間離散采用2階迎風格式, 壓力速度耦合采用PISO方法。

計算網格及邊界條件如圖2和圖3所示, 計算域為30m×25m的長方形區域, 采用結構化網格, 初始總網格數為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, 對魚雷壁面附近的區域進行局部網格加密。此外, 在采用動網格技術進行入水動態模擬時, 通過在魚雷附近構造出一塊伴隨其運動而不發生網格變形和重構的結構化網格區域, 以保證壁面附近的網格質量和數量, 進而提高計算精度; 通過變形和重構技術來更新遠離魚雷區域的結構化網格。

1.3 數值方法驗證

為了驗證文中數值方法的可靠性, 首先采用文獻[12]中的圓柱體模型進行入水流場演化和彈道特性對比。圓柱體長度和直徑分別為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倍彈長和2倍彈長下自由液面的對比。由圖可知, 數值仿真較好地捕捉了入水過程中自由液面的濺射和液面形態。圖5為文中仿真彈道與文獻[12]中的仿真彈道對比曲線, 該圖進一步表明, 文中數值仿真得到入水彈道與試驗吻合較好, 尤其是較文獻[12]中的仿真結果更為接近試驗數據。由于試驗無法直接測量入水沖擊載荷, 但運動特性的變化直接反映了水動力特性的變化。因此, 文中采用的數值方法能較好地捕捉入水過程流場發展及沖擊載荷特性。

2 數值仿真結果及分析

2.1 入水沖擊對比

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時入水過程中雷體所受的阻力隨時間的變化。

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, 由于水的密度遠大于空氣, 其慣性較大, 魚雷所受的阻力急劇增加, 并達到一峰值。而后隨著魚雷減速, 沖擊力逐漸減小。當2/=1時, 沖擊力達到峰值后會在短時間內迅速下降, 直至達到穩定。而隨著長短軸比的增加, 沖擊力峰值下降的速度大幅度減小, 下降過程趨于平緩, 但是到達穩定的時間會略微增加。特別值得注意的是, 當2/=3時, 魚雷所受到的沖擊阻力峰值僅較入水后的穩定阻力值略大。當入水速度=20 m/s時, 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。當入水速度增加到=30 m/s時, 峰值分別為38.7 kN、15.4 kN和8.8 kN。當速度繼續增長到=40 m/s時, 峰值分別為64.8 kN、27.5 kN和15.3 kN。因此, 由上述峰值數值可知, 相同入水速度下, 增加頭型長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短軸比的增加而減小。

圖8進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比, 其中橫坐標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系。對其沖擊峰值曲線進行擬合可得到

式中:為水的密度;為入水速度;和為頭型長短軸比的二次函數, 其表達式分別為

采用以上公式, 可在文中所研究的入水速度范圍內較好地預測入水最大沖擊載荷。

綜合圖6~8可知, 當2/從1增加到2的時候, 魚雷所受到的最大入水沖擊力大幅度下降。而當2/從2增加到3的時候, 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減緩。由此可以推測, 若繼續增加2/的值, 該參數的變化對魚雷最大入水沖擊力的影響將會逐漸減小。

由于最大沖擊力是魚雷整體受力, 無法反映魚雷局部受力, 因此, 圖9進一步給出了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max的時間歷程對比。

如圖9所示, 在某一時間點上, 魚雷頭部局部受到的壓強將急劇增加, 隨后又急劇減小, 整個壓強脈沖持續的時間比最大沖擊力的持續時間要短。同時, 壓強最大值的出現時間要早于最大沖擊力的出現時間。表1給出了不同條件下壓強最大值與最大沖擊力出現的時間對比。

通過表1可以看出, 在相同的條件下, 壓強最大值出現的時間均比最大沖擊力出現的時間提前, 這種規律不隨頭型和速度變化而改變。造成壓強最大值和最大沖擊力出現時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, 而壓強最大值是魚雷頭部的局部表現, 因此, 當壓強達到最大值時, 魚雷頭部只有部分沾濕, 且水具有流動和變形的特性, 僅在沾濕區域內壓力較大, 即局部的壓強先達到最大值, 而魚雷所受合力未達到峰值。隨著魚雷繼續入水, 由于沾濕面積的增加, 導致沖擊力也會隨之增加。同時由于入水后速度減小, 最大沖擊壓強逐漸減小。當沖擊力達到峰值時, 魚雷頭部所受到的壓強已經明顯下降。而隨著魚雷頭型由半球型向橢球型的轉變, 2個峰值出現的時間差隨之增大。

表1 不同速度下3種頭型魚雷頭部最大壓強值與魚雷最大入水沖擊力出現的時間對比

2.2 入水流場對比

為了揭示不同頭型魚雷入水沖擊載荷的機制, 對入水過程自由液面演化及壓力等流場特性進行分析。

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

當2/=1時, 魚雷入水過程中沾濕面積增加速度較大, 頭部浸水過程需排開的水量也較大, 而水的密度和慣性大, 即魚雷入水在短時間內排開水的體積越大, 所受到慣性阻礙作用越明顯, 且運動流體會受遠離頭部區域靜止水體的阻礙, 從而使得頭部附近高壓區范圍較大。此外, 魚雷頭部中心液體在向兩側排開的過程中會受到快速入水魚雷頭部側表面外圍區域的二次擠壓, 從而使得側面壓力數值及整個頭部附近的高壓區范圍進一步增加。在入水沖擊壓力到達峰值后, 隨著魚雷進一步入水, 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相對穩定的數值。

當長短軸比增加時, 由于魚雷直徑保持不變, 結合其幾何特征可知, 在相同的浸水深度或者說沾濕深度下, 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更加容易沿壁面切線向尾部相對運動, 減小了壁面對該部分流體微元的擠壓作用, 也相當于流體將所受法向壓力轉化為流體運動產生的切向摩擦, 從而減小了入水沖擊阻力。

3 結論

文中采用數值仿真方法, 研究了不同長短軸比的橢球型魚雷入水過程中的最大沖擊載荷變化規律和機制, 并建立了最大沖擊載荷和入水動壓及頭型長短軸比間的函數關系, 得出以下結論:

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系;

2) 增加頭部長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, 但該減小量隨長短軸比的增加而逐漸減小;

3) 魚雷入水最大沖擊力的出現時間滯后于頭部最大壓強的出現時間。

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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, 主要研究方向為水下航行器流體動力學.

劉華坪,余飛鵬,張岳青,等.不同頭型魚雷入水沖擊載荷研究[J].水下無人系統學報, 2018, 26(6): 527-532.

(責任編輯: 陳 曦)