水下发射发射筒注水情况仿真分析*

周笑飞，姜毅，牛钰森，拜云山，邓佳

(北京理工大学, 北京 100081)

0 引言

水下发射过程中，海水在导弹出筒后将倒灌入发射筒中会产生水锤效应，这一效应对发射装置结构和动态特性产生影响，对这一过程研究还处于起步阶段，相关研究较少。倪火才[1]曾对实验得到的水锤现象进行过理论性的研究，王亚东[2]曾对筒口气泡特性进行研究，王汉平[3]曾对潜射过程的后效应进行分析，这些研究均未涉及到之后发射筒的注水阶段，而发射筒注水本身是一个复杂的汽液两相流相互作用的过程，有进一步研究的必要。由于三维模型在模拟两相流过程中速度较慢且不稳定，以往对水下发射过程研究主要采用二维模型[4]，这需要忽略筒盖对流场的影响，事实上筒盖对发射过程、尤其是注水过程流场的流动情况影响十分显著，因此本次仿真对注水过程建立了三维模型[5]，并添加了筒盖结构。

本文采用FLUENT软件进行研究，使用了 Mixture 两相流计算模型来求解气液两相流场，使用了动网格技术以及自主编辑UDF程序，对注水过程进行仿真。下面简要介绍仿真结论。

1 物理模型与计算模型

1.1 物理模型

本文采用的模型由发射筒、筒盖、导弹组成，发射筒内注满均匀的燃气，导弹初始位置位于筒口，其余流场注满海水，由于水下存在压力梯度，因此利用自定义函数对海水区域压力进行赋值，利用UDF对边界压力进行赋值。仿真过程由导弹从筒口[6]初始位置向上运动开始，动网格采用UDF进行编程，速度为实验中得到的导弹运动速度。导弹向上运动，最终离开水面；发射筒内外的气、液两相相互作用，产生复杂的流动现象。图1～4分别为筒部网络模型，发射筒盖网络模型，海水计算网络及拼接后整体模型示意图。

图1 筒部网格模型Fig.1 Mesh of the launch tube

图2 发射筒盖网格模型Fig.2 Mesh of the launch tube cover

图3 海水计算域网格Fig.3 Mesh of the water area

计算时利用FLUENT将几部分模型拼接在一起进行计算，为了今后对不同弹径、开盖角度、发射深度进行更细致的研究，因此在建模初期对模型采用了模块化处理。

图4 拼接后整体模型示意图Fig.4 Overall model after stitching

1.2 计算模型

仿真过程中，采用有限体积法[7]对流场的控制方程进行离散化处理；气液两相流的流场采用 Mixture 多相[8]流模型进行求解；湍流模型选用 RNGk-ε模型[9]；

(1)

(2)

壁面设置为标准壁面函数；网格采用动态分层法进行更新[10]。

在一些研究空泡[11]问题的文章中，汽化模型非常重要，但本文并不关注弹头位置的汽化作用，且研究过程中发现，所处位置压力越大(水深越深)，海水越难以汽化。由于工质气体与海水作用位置压力较大，汽化对水下发射的后效应及注水过程影响较小，不影响流场的流动特性，为简化计算，本文并未使用汽化模型。

2 仿真结果与比较

导弹按给定速度向上运动，导弹尾部气体被抽吸形成尾部气泡，随着导弹向上运动，尾部气泡逐渐拉长、并最终被拉断，现象与以往对发射后效应的研究结果一致。由于筒盖的影响，导弹尾部的空泡具有明显的不对称性。

各体积分数云图(图5)中，红色为气体，蓝色代表海水，过渡颜色为气、液相组分相混合。

图5 发射筒口空泡气体体积分数云图Fig.5 Gas volume fraction cloud map of the launch tube

水下气泡断裂后，由于筒盖造成的影响，使得海水沿筒盖流入筒中。

海水注入发射筒后，产生第1道水锤效应。观察可知，水锤效应发生时，并未出现大量海水集中作用在发射筒底部。倪火才认为水锤效应是由于海水的冲击以及压缩海水随之产生的压缩波共同作用形成的，但仿真结果表明，海水能否大量直接撞击筒底和发射深度以及筒内平均压力有很大关系。分析结果发现，水锤效应主要产生的原因是海水在注入发射筒过程压缩筒内残留的工质气体所产生的压缩波，这些压缩波相互叠加，最终到达发射筒底部形成水锤效应。

空泡断裂后气体体积分数云图如图6所示；筒内注水置达到最大时气体体积分数云图如图7所示。

图6 空泡断裂后气体体积分数云图Fig.6 Gas volume fraction cloud map after the vacuoles fracture

图7 筒内注水量达到最大时气体体积分数云图Fig.7 Gas volume fraction cloud map of the max water in launch tube

通过仿真得到第1个周期内筒内压力与注水量数据，并对比实验得到的结果，进行如下分析。实验得到的全阶段水锤作用图如图8所示。

图8 实验得到的全阶段水锤作用图Fig.8 Experiment result of water hammer’s full-stage mechanism

图9 仿真得到的水锤作用第一周期筒底压力与注水量图Fig.9 Pressure and water injection of the first water hammer cycle at the bottom of the launch tube

观察筒底压力曲线和注水量曲线(图9)可以发现：t0～t1时间段内，海水受重力作用注入发射筒后，压缩筒内气体，形成压缩波冲击筒底，形成水锤效应；t1～t2时间段内，压缩波撞击筒底后反弹[12]，此时压缩波还未到达注入筒内海水的位置，筒内气体继续被压缩，海水继续注入发射筒；t2～t3时间段内，筒内气体被压缩后压力增大，压缩波在开口端反射为膨胀波，筒内气体开始膨胀并将本已注入发射筒内的海水再次挤出发射筒，部分工质气体在这一过程中排出发射筒；t3～t4时间段内，膨胀波在筒底反射，气体继续膨胀，气体压力进一步减小，海水继续向筒外排出。此后筒底压力和注水量将按此规律变化，变化过程中，由于能量损失以及气体、海水压力差不断减小，水锤能量不断减小，水锤峰值不断降低。

对比仿真与实验对比，与实验结果相符度高，可以认为仿真结果可靠。

3 结论

(1) 对发射筒欠水过程进行分析，并与类似实验结果比对，验证了仿真的可靠性与可行性。

(2) 通过对仿真结果的分析，得出水锤现象的主要成因是由于海上压缩筒内剩余气体产生的压缩波撞击筒底引起的。

(3) 在发射筒注水过程中，筒底的压力先上升后下降，出现明显的水锤现象。

(4) 发射筒注水过程的第1个周期中，注水量也呈现先上升后下降的现象，这是由于筒内产生膨胀波将已经注入筒内海水挤压出筒外引起的。

参考文献：

[1] 倪火才.潜载导弹水下垂直发射时的“水锤”压力研究[J].舰船科学技术,2000，1(1):46-49.

NI Huo-cai. Research on Water Hammer Pressure of the Underwater Vertical Launch[J].Science and Technology of Ship, 2000，1(1):46-49.

[2] 王亚东,袁绪龙,覃东升.导弹水下发射筒口气泡特性研究[J].兵工学报,2011，32(8):991-995.

WANG Ya-dong, YUAN Xu-long, QIN Dong-sheng. Research on the Outlet Cavity Features during the Launch of Submarine Launched Missile[J].Acta Armamentaria, 2011，32(8):991-995.

[3] 王汉平,吴友生,程栋,等. 潜射模拟弹弹射后效分析[J].船舶力学,2010，14(10):1122-1128.

WANG Han-ping,WU You-sheng, CHENG Dong, et al.Analysis of Ejection After-Effect for Underwater Launched Emulating Missile[J]. Joumal of Ship Mechanics,2010，14(10):1122-1128.

[4] 侯金瑛, 谭大成, 毕世华. 导弹水下发射装置内流场数值研究[J].弹箭与制导学报，2010，30(3):119-121.

HU Jin-ying , TAN Da-cheng , BI Shi-hua. A Numerical Research on Interior Flow for Underwater Launched Missile[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance，2010，30(3):119-121.

[5] 杨晓光. 潜射导弹水下发射及出水过程三维数值研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.

YANG Xiao-guang. 3D Numerical Simulation on the Process of The Missile Underwater Launching and Exiting from Water[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2009.

[6] 王汉平，吴菊华. 基于CFD的潜射导弹简口压力场预测[J].弹道学报，2008,20(4):73-77.

WANG Han-ping，WU Ju-hua. Forecast of Pressure Field Near Launch Canister Outlet for Underwater-launched Missile Based on CFD[J]. Journal of Ballistics, 2008,20(4):73-77.

[7] 李人宪.有限体积法基础[M].北京：国防工业出版社，2005.

LI Ren-xian. The Basis of the Finite Volume Method[M].Beijing:National Defence Industry Press,2005.

[8] MANNINEN M, TAIVASSALO V, KALLIO S. On the Mixture Model for Multiphase Flow[R]. VTT Publications 288, Technical Research Centre of Finland, 1996.

[9] YAKHOT V, ORSZAG S A. Renormalization Group Analysis of Turbulence: I.Basic Theory[J]. Journal of Scientific Computing, 1986, 1(1):1-51.

[10] 郝继光,姜毅,韩书永,等.一种新的动网格更新方法及其应用[J].弹道学报,2007,19(2):88-92.

HAO Ji-guang, JIANG Yi, HAN Shu-yong, et al. A New Dynamic Mesh Update Method and Its Applications[J]. Journal of Ballistics, 2007, 19(2): 88-92.

[11] 闵景新,魏英杰,王聪,等. 潜射导弹垂直发射过程流体动力特性数值模拟[J].兵工学报,2010,31(10):1034-1039.

MIN Jing-xin, WEI Ying-jie, WANG Cong, et al. Numerical Simulation on Hydrodynamic Characteristics of Submarine Missile in the Vertical Launch Process[J].Acta Armamentaria, 2010,31(10):1034-1039.

[12] 王保国,刘淑艳,黄伟光.气体动力学[M].北京：北京理工大学出版社,2005：267-271.

WANG Bao-guo, LIU Shu-yan, HUANG Wei-guang.Gas dynamics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2005:267-271.