兵器装备工程学报

提拉缸式发射装置水下发射内弹道仿真研究

分类:主编推荐 发布时间:2018-03-28 10:48 访问量:804

分享到:

 ü   引用本文
 ____________________________________________________________________________________________________________________________________
引用格式:刁宏伟,李宗吉,李春来.提拉缸式发射装置水下发射内弹道仿真研究[J].兵器装备工程学报,2018(2):12-15,29.

-Citation format:DIAO Hongwei, LI Zongji, LI Chunlai.Research on Underwater Launch Interior Ballistics Modeling and Simulation of the Lift Cylinder Type Launcher[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2018(2):12-15,29.
 ____________________________________________________________________________________________________________________________________
 作者简介:刁宏伟(1973—),男,旅顺鱼水雷仓库主任,高级工程师,主要从事部队装备管理研究,E-mail:zqizheng@126.com
____________________________________________________________________________________________________________________________________

 

提拉缸式发射装置水下发射内弹道仿真研究

刁宏伟1,李宗吉2,李春来2

(中国人民解放军91829部队, 辽宁 大连 116041; 2.海军工程大学 兵器工程系, 武汉 430033)

摘要:传统潜艇使用的有动力鱼雷发射装置结构复杂,体积、重量大,不适用于UUV等小型水下平台使用。本文提出适用于小型水下平台的提拉式有动力鱼雷发射方案,以火药为发射能源,采用两段式燃烧方案控制气缸压力。为了验证该方案原理可行性,建立了鱼雷发射管三维旋转对称流场模型与气缸热力学模型,综合采用MATLAB与FLUENNT对内弹道进行仿真。仿真结果表明,该方案可满足UUV水下发射鱼雷的要求。

 

关键词:发射装置; 火药; 内弹道; 仿真

 

中图分类号:TJ63  文献标识码:文章编号:2096-2304(2018)02-0012-04

 

Research on Underwater Launch Interior Ballistics Modeling and Simulation of the Lift Cylinder Type Launcher

DIAO Hongwei1, LI Zongji2, LI Chunlai2

(1.The 91829th Unit of PLA, Dalian 116041, China; 2.Department of Weaponry Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract: Traditional underwater power torpedo launching device’s structure is complex. It doesn’t adapt to use in light submersible. This paper presents a suitable for light submersible motivated torpedo launch plan, using gunpowder combustion as launching energy. Two sections of burning plan reduce the pressure of cylinder. It adopt the method of MATLAB according with FLUENT simulation on its ballistic simulation to improve the simulation accuracy. Simulation shows that this scheme meets the technical requirements for the UUV launching a torpedo. This study may provide a reference for further research of this topic.

Key words: torpedo launcher; gunpowder; internal ballistics; simulation

随着UUV技术的发展,未来海战中UUV[1]配备鱼雷武器[2]用于水下无人作战是必然趋势。但由于UUV一般排水量较小,传统潜艇带发射动力的鱼雷发射装置[3][4](如气动不平衡或水压平衡发射装置)因体积重量过大,无法直接应用在该发射平台上,目前的UUV一般采用自航发射方式发射鱼雷[5][6][7]。采用自航发射方式虽结构简单,但在发射鱼雷的过程中UUV自身的运动状态可能会因受到鱼雷自航运动的干扰而发生变化,影响平台的操作与控制。为此需要探索结构简单,适用于UUV这类小型平台的有发射动力的装置。提拉缸式发射装置是在参考借鉴防空导弹发射技术[8][9]基础上提出的,为了论证该方案在UUV上的可行性,本文综合运用MATLAB与FLUENT对UUV运用提拉缸发射装置发射鱼雷的过程进行了仿真研究。

1 发射装置原理

本文提出一种以火药燃烧的化学能作为发射能源的鱼雷发射装置(见图1)。火药气缸长度约为发射管的一半,拉杆总行程为发射管的一半。发射前,发射管密封储存鱼雷,发射时发射管前后盖与发射管的连接由爆炸螺栓切断并与发射管脱离,此时发射管前后端连通海水。然后1号火药柱点火产生火药气体推动拉杆带动鱼雷向管口方向运动。当活塞运动1m时活塞越过2号火药柱并引燃2号火药柱,此时1、2号火药柱共同燃烧推动活塞运动(见图2)。活塞运动3m时拉杆与鱼雷脱离,鱼雷克服海水阻力继续运动直至出管。

图1 方案原理图

图2 气缸动作图

2 仿真方法

鱼雷发射装置内弹道仿真通常采用数值求解内弹道微分方程组模型。这种方法较精细的模拟发射过程中发射管内部流场及鱼雷所受的流体阻力的变化情况非常困难,对内弹道仿真结果的误差较大。为此本文综合采用MATLAB与FLUENT[10]进行仿真[11]。在采用MATLAB仿真程序(程序数学模型见3.1小节)对发射过程中气缸中各物理量进行仿真的同时,运用FLUENT对鱼雷发射管内流体流动与鱼雷所受阻力进行仿真。MATLAB与FLUENT采用共享数据文件的方式进行数据交换,通过更新标志位的方法使MATLAB与FLUENT实时同步仿真。整个仿真流程见图3。

3 模型建立

3.1 数学模型

仿真数学模型由15个微分方程式组成,代入4阶定步长Runge-Kutta方法求解,其中鱼雷运动流体阻力由FLUENT模拟发射管流场计算,鱼雷速度、加速度由MATLAB解算,并传递给FLUENT。

图3 仿真流程

Uc=Qe-Lt

(1)

式中: Uc为发射管内气体内能; Qe为火药燃烧热; Lt为鱼雷推动功。

(2)

式中:Tc为气缸内温度;Cv为气缸内气体定容比热容;Mc为气缸内气体总质量。

(3)

式中:Pc为气缸内气体压力;k为火药燃气比热比;Vc为气缸内气体体积。

dMc=dMe1+dMe2

(4)

式中:Me1Me2为两段火药的燃烧质量。

(5)

式中:Sc为气缸断面面积;Lp为活塞行程;Lc为气缸总长度。

dQe=EqQb(dMe1+dMe2)

(6)

式中:Qe为火药燃烧总热量;Eq为热损失系数通常取0.8;Qb为火药燃烧热。

(7)

(8)

式中:U10为火药在单位压力下的燃烧速度;ε为火药燃烧时的通气系数。

(9)

式中:Sy为火药表面积;S1为火药初始表面积; β为药型系数; ψ为火药燃烧百分比数。

(10)

式中:Sm为火药端面面积;Sm0为火药初始端面面积。

(11)

(12)

式中: Fp为通过FLUENT仿真并拟合的气缸阻力(活塞后端联通海水,孔径0.01 m),与活塞速度Vp有关。

dVp=(PcSc-Fflu-Fp)/(mt+mp)

(13)

式中:Sc为气缸端面面积;Fflu为通过FLUENT仿真传递的鱼雷阻力;mtmp为鱼雷质量与活塞质量。

dlt=Vp

(14)

式中:lt为鱼雷行程。

dLt=ScPcVp

(15)

3.2 发射管CFD模型

根据发射方案建立发射管CFD仿真模型。由于发射管及流体域轴对称,本文采用二维网格轴对称方式建立流场网格以减小计算量(见图4)。

在CFD模型中立动网格,以鱼雷作为刚体动网格边界,沿X轴运动。由于本文建模采用非结构网格,网格更新采用弹簧光顺模型(smoothing)以及局部网格重划模型(remeshing)两种。

CFD模型网格共有节点28 798个,最小网格面积5.6×10-3 m2,最大网格面积3.8×10-2 m2,最大畸变率为0.64。发射管长6.5 m、直径0.537 m,鱼雷长6 m、直径0.534 m。发射管外流场直径为3 m,长度为7 m。前段边界条件为压力出口(pressure-outlet),尾端为压力入口(pressure-inlet)。

图4 2维轴对称模型

4 发射过程内弹道仿真

运行FLUENT及MATLAB软件,读取仿真模型与仿真初始值,进行发射水下发射鱼雷过程仿真。

仿真开始后,CFD软件将流场计算获得的作用在鱼雷上流体阻力,通过共享文件将数据传递给依据3.1数学模型编制的MATLAB仿真程序,仿真程序通过解微分方程组,再将计算出的鱼雷位移参数传递给共享文件CFD软件,CFD根据位移参数进行重新进行网格划分,重新进行新一时刻的流场计算,如此循环直至结束,其仿真流程见图3。

仿真中的主要参数为:鱼雷质量2 000 kg、气缸直径0.125 m、气缸长度3.5 m、提拉缸活塞质量20 kg、发射火药质量0.09 kg(两段)。

在仿真中,0~0.3 s时1号火药柱燃烧,0.3 s以后1、2号火药柱共同燃烧;0.5 s时拉杆位移达到3 m并与鱼雷脱离。发射过程的仿真结果如图5~图9所示。

图5 鱼雷行程曲线

图6 气缸温度曲线

图7 气缸压力曲线

图8 鱼雷速度曲线

从仿真结果来看,1号火药柱点火后发射温度、压力迅速上升至1 500 K、16 MPa,活塞运动后火药气体对外做功,温度、压力下降至500 K、10 MPa时(见图6、图7),活塞越过2号火药柱并将其引燃,使温度下降梯度减小。0.5 s后活塞运动至气缸尾,火药气体不再对外做功,火药柱继续燃烧,温度回升。

从鱼雷速度曲线来看,速度在0.5 s时达到峰值12 m/s,然后拉杆脱离鱼雷,在海水阻力作用下鱼雷速度降至10 m/s,整个发射过程大约耗时0.6 s(见图8),基本满足水下发射鱼雷的要求。

通过进行发射过程流场仿真,不仅获得发射过程的发射管内部及外部流场压力变化情况(见图9~图12),还可获得发射过程鱼雷所受流体阻力变化情况(见图13)。从鱼雷阻力曲线可以看到鱼雷阻力在0.5 s以及0.65 s时存在两次跳变。在0.5 s时鱼雷与拉杆脱离,鱼雷加速度由正值变为负值,鱼雷附加阻力降低为0;在0.65 s时,鱼雷尾锥部位经过发射管口,鱼雷与发射管抽吸作用减小,鱼雷压差阻力减小。

图9 0.2 s发射管流场压力

图10 0.4 s发射管流场压力

图11 0.6 s发射管流场压力

图12 0.8 s发射管流场压力

图13 鱼雷阻力

5 结论

为了对提拉缸式鱼雷发射装置在UUV上应用可行性进行分析与研究,综合采用MATLAB与FLUENT对发射过程进行仿真。结果表明,鱼雷出管速度达到10 m/s,满足水下发射的技术要求。与其他潜艇鱼雷发射装置相比,这种方案结构简单、体积小、重量轻,可作为UUV一次性使用发射装置,发射后可整体抛弃,适用于UUV之类的小型水下平台。本文所建的模型可为后续的发射装置总体方案论证及技术设计提供参考。

参考文献:

[1] 李德远,吴汪洋,李晓晨.军用UUV的发展与应用前景展望[J],舰船电子工程,2014,32(4):22-24.

[2] 周杰,王树宗.无人水下航行器发射鱼雷初始弹道分析[J].弹道学报,2009(3):86-89.

[3] 练永庆,王树宗.鱼雷发射装置设计原理[M].北京:国防工业出版社 2012:125-134.

[4] 朱清浩,宋汝刚.美国潜艇鱼雷发射装置使用方式初探[J].鱼雷技术,2012,20(3):215-219.

[5] 孙玉松,李宗吉,练永庆.UUV自航发射鱼雷过程仿真[J].鱼雷技术,2014,22(5):396-400.

[6] 章杰,张云海,赵加鹏.空投UUV入水冲击仿真研究[J].兵器装备工程学报,2016(1):70-73.

[7] 李亚男,叶慧娟,张西勇.水压平衡式鱼雷发射装置发射小型运载器内弹道仿真[J].兵器装备工程学报,2016(2):41-44.

[8] 杨风波,马大为,杨帆.高压弹射装置内弹道建模与计算[J].兵工学报,2013,34(5):527-534.

[9] 白鹏英,乔军.双级气缸式弹射装置内弹道分析[J].现代防御技术,2007(8):44-49.

[10]蔡荣泉.船舶计算流体力学的发展与应用[J].船舶,2002,8(4):8-13.

[11]谢海斌,张代兵,沈林成.基于MATLAB/SIMULINK与FLUENT的协同仿真方法研究[J].系统仿真学报,2007,19(8):1824-1827.