刘华坪, 余飞鹏, 张岳青, 姜博太



不同头型鱼雷入水冲击载荷研究

刘华坪1, 余飞鹏1, 张岳青2, 姜博太1

(1.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨, 150001; 2.中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

采用流体体积函数(VOF)多相流模型和动网格技术, 开展了不同长短轴比椭球头型鱼雷入水过程及水下航行的动态数值仿真研究, 分析了头型对鱼雷入水最大冲击载荷特性的影响, 建立了最大冲击载荷和入水动压及头型长短轴比之间的函数关系。仿真结果表明: 鱼雷最大冲击力与入水速度的平方成线性增加关系; 随着长短轴比的增加, 最大冲击力减小, 且其相对减小量也随之减小, 同时鱼雷在水下航行所受的阻力也会随长短轴比的增加而减小。研究结果可为鱼雷入水弹道和结构设计提供参考。

鱼雷; 椭球头型; 长短轴比; 入水冲击

0 引言

鱼雷入水问题是一个包含多相流动、自由液面和动边界的多场耦合问题。入水过程时间极短, 参数变化极其剧烈, 尤其是入水速度较大时, 头部接触水面产生的巨大冲击载荷极易导致结构破坏和内部仪器失灵, 且可能会使其运动轨迹偏离原先弹道, 最终导致入水失效。因此, 如何减小入水冲击载荷已成为了国内外学者重要研究方向之一。

对于鱼雷入水问题的探索, 最早可以追溯到对结构物入水的研究。早在1900年, 英国科学家Worthington等[1]利用先进的照相技术, 针对小球入水进行了试验研究, 观察了小球入水时的流场变化。而Von[2]则通过系统的数学推导, 于1929年提出了入水理论, 以动量守恒定律作为出发点, 通过引入附加质量的概念来解决水上飞机入水冲击载荷的问题。在此基础上, 后来的学者又提出了多种改进的计算方法。Wagner[3]在1932年提出了小倾斜升角模型的近似平板理论, 并使得该理论成为现代入水理论研究的基础。Milwitzhy[4]在Wagner的基础上, 考虑了水上飞机入水角度的问题, 简化了Wagner的几何模型。

随着计算机技术的飞速发展, 基于先进计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)技术的数值仿真逐渐成为继试验研究、理论研究之后最重要的研究方法。陈宇翔等[5]利用流体体积函数(volume of fluid, VOF)结合动网格技术, 模拟了圆柱入水的流场变化及水动力曲线, 模拟结果与试验吻合较好, 从而验证了数值方法的可靠性。王焕然等[6]利用Fluent软件, 模拟了半球圆柱体垂直穿过气液分界面的问题, 并将圆柱体入水时模拟的空泡形态与试验的空泡形态进行了对比, 得到了圆柱体的入水冲击载荷。路龙龙[7]对比了鱼雷垂直、倾斜入水时的载荷, 其中平头鱼雷撞水阶段受到的载荷较高。石汉成等[8]研究了半球形、锥形、斜锥形及平头半球形4种不同头型水雷的入水过程, 计算了入水时头部速度和加速度随时间的变化, 指出斜锥型头型能降低水雷入水撞击载荷。王军[9]建立鱼雷入水三维模型, 分析了不同头型、速度及入水角度条件下鱼雷所受到的冲击压力。朱珠等[10]利用Mixture模型, 研究了速度对入水冲击载荷的影响规律。

以上研究表明, 鱼雷的头型是影响其入水冲击载荷的主要因素之一, 锥头型可有效减小入水冲击载荷[8], 但其头部容积较小, 且不利于水下航行过程中操纵控制, 并不能用于真实鱼雷中。因此, 文中以流线型鱼雷头型(包括半球头及不同长短轴比椭圆球头)为研究对象, 探讨初始入水速度分别为20 m/s, 30 m/s和40 m/s下入水载荷的变化规律及其流场演化机制, 以期为真实结构鱼雷入水弹道和结构设计提供参考。

1 物理模型和计算方法

1.1 物理模型

文中所采用的鱼雷简化结构如图1所示, 其全长=2.79 m, 直径为=0.324 m, 通过改变鱼雷头部长度, 进行了鱼雷头型长短轴比2/分别为1, 2, 3的3种不同头型的入水动态仿真研究。Shi等[11]的研究表明, 结构物垂直入水时轴对称模型与三维计算结果差别较小, 因此, 文中也采用轴对称简化模型, 以提高计算速度。

1.2 数值方法

计算软件为FLUENT, 采用VOF多相流模型捕捉自由液面, 以期能得到较为精确地自由液面变化, 并采用动网格技术模拟鱼雷的运动情况。由于入水速度较大, 可能在局部表面出现空化现象, 采用了Schnerr-Sauce空化模型。湍流模型为k-ε模型, 时间离散采用2阶精度, 空间离散采用2阶迎风格式, 压力速度耦合采用PISO方法。

计算网格及边界条件如图2和图3所示, 计算域为30m×25m的长方形区域, 采用结构化网格, 初始总网格数为76 000。为了更为精确地捕捉入水气液界面的演化及局部压力冲击特性, 对鱼雷壁面附近的区域进行局部网格加密。此外, 在采用动网格技术进行入水动态模拟时, 通过在鱼雷附近构造出一块伴随其运动而不发生网格变形和重构的结构化网格区域, 以保证壁面附近的网格质量和数量, 进而提高计算精度; 通过变形和重构技术来更新远离鱼雷区域的结构化网格。

1.3 数值方法验证

为了验证文中数值方法的可靠性, 首先采用文献[12]中的圆柱体模型进行入水流场演化和弹道特性对比。圆柱体长度和直径分别为30 mm和7 mm, 入水初始速度为28.4 m/s。

图4中分别给出了圆柱体入水0.5倍弹长和2倍弹长下自由液面的对比。由图可知, 数值仿真较好地捕捉了入水过程中自由液面的溅射和液面形态。图5为文中仿真弹道与文献[12]中的仿真弹道对比曲线, 该图进一步表明, 文中数值仿真得到入水弹道与试验吻合较好, 尤其是较文献[12]中的仿真结果更为接近试验数据。由于试验无法直接测量入水冲击载荷, 但运动特性的变化直接反映了水动力特性的变化。因此, 文中采用的数值方法能较好地捕捉入水过程流场发展及冲击载荷特性。

2 数值仿真结果及分析

2.1 入水冲击对比

图6给出了在入水初始速度=20 m/s、30 m/s和40 m/s条件下, 2/分别为1, 2和3时入水过程中雷体所受的阻力随时间的变化。

由图6可知, 不同入水速度下3种头型鱼雷所受到的入水阻力变化规律基本一致。在头部接触水面初期, 随着浸水深度(或沾湿表面)的增加, 由于水的密度远大于空气, 其惯性较大, 鱼雷所受的阻力急剧增加, 并达到一峰值。而后随着鱼雷减速, 冲击力逐渐减小。当2/=1时, 冲击力达到峰值后会在短时间内迅速下降, 直至达到稳定。而随着长短轴比的增加, 冲击力峰值下降的速度大幅度减小, 下降过程趋于平缓, 但是到达稳定的时间会略微增加。特别值得注意的是, 当2/=3时, 鱼雷所受到的冲击阻力峰值仅较入水后的稳定阻力值略大。当入水速度=20 m/s时, 3种头型鱼雷的冲击力峰值分别为20.5 kN、8.4 kN和4.6 kN。当入水速度增加到=30 m/s时, 峰值分别为38.7 kN、15.4 kN和8.8 kN。当速度继续增长到=40 m/s时, 峰值分别为64.8 kN、27.5 kN和15.3 kN。因此, 由上述峰值数值可知, 相同入水速度下, 增加头型长短轴比可显著减小入水冲击载荷, 但减小量逐渐降低; 同一头型鱼雷, 入水速度增加, 冲击力急剧增加。在入水后, 鱼雷航行所受的阻力随长短轴比的增加而减小。

图8进一步给出了不同的入水速度下3种头型鱼雷所受到的最大入水冲击力峰值对比, 其中横坐标采用入水速度平方值。从图中可以看出, 各头型鱼雷所受到的最大冲击力与入水速度的平方近似成线性增加关系。对其冲击峰值曲线进行拟合可得到

式中:为水的密度;为入水速度;和为头型长短轴比的二次函数, 其表达式分别为

采用以上公式, 可在文中所研究的入水速度范围内较好地预测入水最大冲击载荷。

综合图6~8可知, 当2/从1增加到2的时候, 鱼雷所受到的最大入水冲击力大幅度下降。而当2/从2增加到3的时候, 鱼雷所受到的最大入水冲击力下降的幅度明显降低, 即随着2/的增加, 最大冲击力随速度平方值增大而增加的趋势减缓。由此可以推测, 若继续增加2/的值, 该参数的变化对鱼雷最大入水冲击力的影响将会逐渐减小。

由于最大冲击力是鱼雷整体受力, 无法反映鱼雷局部受力, 因此, 图9进一步给出了2/=1和2/=3头型鱼雷所受到的冲击力与头部最大冲击压强max的时间历程对比。

如图9所示, 在某一时间点上, 鱼雷头部局部受到的压强将急剧增加, 随后又急剧减小, 整个压强脉冲持续的时间比最大冲击力的持续时间要短。同时, 压强最大值的出现时间要早于最大冲击力的出现时间。表1给出了不同条件下压强最大值与最大冲击力出现的时间对比。

通过表1可以看出, 在相同的条件下, 压强最大值出现的时间均比最大冲击力出现的时间提前, 这种规律不随头型和速度变化而改变。造成压强最大值和最大冲击力出现时间不重合的原因在于鱼雷的头型: 由于最大冲击力是鱼雷的整体受力, 而压强最大值是鱼雷头部的局部表现, 因此, 当压强达到最大值时, 鱼雷头部只有部分沾湿, 且水具有流动和变形的特性, 仅在沾湿区域内压力较大, 即局部的压强先达到最大值, 而鱼雷所受合力未达到峰值。随着鱼雷继续入水, 由于沾湿面积的增加, 导致冲击力也会随之增加。同时由于入水后速度减小, 最大冲击压强逐渐减小。当冲击力达到峰值时, 鱼雷头部所受到的压强已经明显下降。而随着鱼雷头型由半球型向椭球型的转变, 2个峰值出现的时间差随之增大。

表1 不同速度下3种头型鱼雷头部最大压强值与鱼雷最大入水冲击力出现的时间对比

2.2 入水流场对比

为了揭示不同头型鱼雷入水冲击载荷的机制, 对入水过程自由液面演化及压力等流场特性进行分析。

图10给出了不同时刻下2/为1和3的鱼雷以=40 m/s速度入水时头部触水后液面及压力对比。图中压力的取值范围均保持一致, 左边对应的头型为2/=1, 右边为2/=3。从图中可以看到, 随着时间的推移, 鱼雷头部由于撞水而产生的高压峰值均有所减小, 而其影响的范围随之增大。在同一时刻下, 长短轴比越大头型的鱼雷, 其高压区的范围更小。

当2/=1时, 鱼雷入水过程中沾湿面积增加速度较大, 头部浸水过程需排开的水量也较大, 而水的密度和惯性大, 即鱼雷入水在短时间内排开水的体积越大, 所受到惯性阻碍作用越明显, 且运动流体会受远离头部区域静止水体的阻碍, 从而使得头部附近高压区范围较大。此外, 鱼雷头部中心液体在向两侧排开的过程中会受到快速入水鱼雷头部侧表面外围区域的二次挤压, 从而使得侧面压力数值及整个头部附近的高压区范围进一步增加。在入水冲击压力到达峰值后, 随着鱼雷进一步入水, 头部沾湿的面积增加速度减小, 由于周围水体受挤压而迅速排开, 压力急剧减小, 头部总阻力也最终趋近一个相对稳定的数值。

当长短轴比增加时, 由于鱼雷直径保持不变, 结合其几何特征可知, 在相同的浸水深度或者说沾湿深度下, 椭球头型比半球型的沾湿面积变化率缓慢, 相当于减小了压力和冲击载荷增加的速度。此外, 椭球头型具有更好的流线型特性, 高压区沿壁面切线的压力梯度变化较为缓和(如图11所示), 即被排开的流体将会更加容易沿壁面切线向尾部相对运动, 减小了壁面对该部分流体微元的挤压作用, 也相当于流体将所受法向压力转化为流体运动产生的切向摩擦, 从而减小了入水冲击阻力。

3 结论

文中采用数值仿真方法, 研究了不同长短轴比的椭球型鱼雷入水过程中的最大冲击载荷变化规律和机制, 并建立了最大冲击载荷和入水动压及头型长短轴比间的函数关系, 得出以下结论:

1) 相同头型下, 鱼雷入水最大冲击力随着入水初始速度的增加而增大, 最大冲击力与速度的平方近似成线性关系;

2) 增加头部长短轴比可以减小鱼雷的入水最大冲击载荷及水中航行阻力, 但该减小量随长短轴比的增加而逐渐减小;

3) 鱼雷入水最大冲击力的出现时间滞后于头部最大压强的出现时间。

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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.

刘华坪(1983-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为水下航行器流体动力学.

刘华坪,余飞鹏,张岳青,等.不同头型鱼雷入水冲击载荷研究[J].水下无人系统学报, 2018, 26(6): 527-532.

(责任编辑: 陈 曦)