潜射航行体共架垂直发射流体动力特性研究

【摘要】 为了满足新时期战略背景下的潜艇作战要求，在传统的潜射航行体垂直发射的基础上，潜射航行体共架垂直发射技术成为了新的重点研究方向。本文利用数值模拟的方式，针对潜射航行体共架垂直发射问题中，连续发射航行体时的流场特性和流体动力特性进行数值仿真，重点研究首发航行体发射后形成的复杂流场环境对次发航行体发射造成的影响。首先，通过分析数值仿真方法，确立运用三维数值模拟的方式，对航行体水下共架垂直发射问题进行研究。并在此基础上，进一步阐述和分析了多相流数值计算的基本理论，完成了航行体水下共架垂直发射的数值仿真模型的建立；其次，分别完成对首发航行体发射出筒过程和水下运动过程的数值仿真和对间隔一定时间后，次发航行体发射出筒过程和水下运动过程的数值仿真。分析了运动过程中的流场特性，两发航行体表面载荷分布规律以及两发航行体的运动学和动力学特性，并且研究了首发航行体出筒后发射筒内的载荷分布和流场环境压强变化规律；最后，通过对首发航行体发射后不同时刻流场的变化进行进一步研究和分析，选出首发航行体发射后流场变化的四个典型时刻，设计数值模拟工况，对不同发射间隔下，次发航行体发射出筒过程和水下运动过程进行数值仿真。研究并分析航行体运动过程的流场特性，航行体的表面载荷分布规律以及航行体运动学和动力学特性，并对比分析不同发射间隔对航行体水下共架垂直发射过程的流体动力特性影响规律。 

第 1 章  绪论

1.1 课题背景

导弹共架发射武器系统，是指相同或者不同型号导弹使用同一发射装置实施战斗发射的武器系统。这类型系统在水面舰艇上，又多被称之为通用垂直发射系统。例如美国的 MK-41 垂直发射系统，装配在导弹驱逐舰等水面舰艇，可以发射巡航导弹，防空、反潜导弹等多种不同用途的导弹。该系统从海湾战争开始已经经历了多次实战考验，效果卓著。随着时代的发展，战争手段、武器技术的进步，将具有强大作战效能且日趋成熟共架垂直发射技术从陆地与水面舰艇平台转移到潜艇平台的趋势日趋明显。目前各国都在开展相关的研究，也得到了一些初步的研究结果。如美国对“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇发射装置进行共架发射改装，实现了对“战斧”巡航导弹的共架发射。

1.21.2 课题研究意义

现代战略背景下，各国越来越重视从海上(尤其是潜艇)对敌方的有生力量以及纵深领土进行打击，摧毁敌方的战机、舰艇，瘫痪敌人的主要军政和工业设施。不同类型的潜艇中，攻击型潜艇可以执行各种对空、对地、对海的战斗任务，战略弹道潜艇可以实施二次核打击，进行战略威慑，综合作战潜艇甚至可以搭载特战人员，进行特种作战。鉴于潜艇的这种机动隐蔽特性，发展拓宽潜艇作战能力备受各国重视。

潜艇作战性能提升，存在两个问题：首先，潜艇需要携带不同类型和数量的导弹来提升综合作战能力，以满足不同的作战要求与生存需求；其次，只适应单一型号的导弹发射的潜艇发射平台，在研发上造成了浪费和低效，这一点在国外军备研发上有前车之鉴。

潜载的共架发射武器系统主要具有两大优点:  首先，共架垂直发射增加了潜艇的火力强度和覆盖面广度，扩展和强化单一潜艇作战用途和作战能力。其次，共架发射系统可以适配多型导弹，一机多用，在研发工作上更为经济合理与高效。这两大优点，恰恰可以很好地解决上述两个问题。

对于陆基和海基共架发射技术的研究，国外大多于上世纪六七十年代开始研发，随后的几十年里，不同型号的共架发射平台研制成型并装备部队，部分装置经过多次实战检验，战果显著；至于潜载的共架发射技术，目前国内外的研究尚处于起步阶段，美俄两国曾把弹道导弹发射装置经模块化设计和简单改装后，实现不同型号导弹共架发射以及战略弹道导弹与战术巡航导弹共架发射，该技术在本世纪初期已经在外军中已经得到应用。

第 2 章多相流数值仿真方法

2.1 引言

本文主要研究潜射航行体共架垂直发射中，航行体出筒和水下运动过程，重点关注的是该物理过程的多相流问题。研究这种问题最直接有效的方式就是开展全尺寸模型试验，这样可以得到大量符合实际的工程数据和参数，但试验工作耗时耗资巨大，不容易开展；数值模拟方法可以比较准确地对多相流问题进行计算仿真，而且随着计算设备的发展和普及，数值模拟方法也易于开展。因此，本文采用数值模拟的方法来研究潜射航行体共架垂直发射问题。

本章主要介绍研究中涉及的流体力学理论和数值模拟方法，并在分析理论方法的基础上，开展研究工作。

2.2  湍流模型

2.2.1  湍流问题概述

流体流动时的雷诺数超过某一数值，流体将由层流状态变成湍流状态，湍流状态之下，流体介质之间不断进行动量、能量的交换，是一种高度复杂的非线性流动状态。对湍流现象的研究，是现代物理学界中，最有难度和挑战性的研究课题之一，从 200 多年前雷诺在圆管湍流试验中，第一次认识到湍流问题开始，就有很多卓越的科学家投入到对这个问题的研究中，也取得了很多的理论和应用成果。时至今日，虽然湍流问题的内在机理依然没有被彻底揭示出来，但各种湍流模型、各种对湍流问题的理论和数值求解方法已经被越来越多的提出，并应用到了科研和工程问题中去。

湍流问题的研究，就是要在不同的初始状态和边界条件条件下，得出对 N-S方程的解，最好是解析解。但是在对实际问题的解决中，是很难通过直接求解与时间相关的 N-S 方程来对流场的瞬时变化进行精确描述的。因此，学者们根据当前计算机的发展水平以及工程问题对流场结果的要求，发展出了不同的湍流模型，来解决不同实际问题。时至今日，随着计算机计算能力的发展和湍流模型的完善，数值模拟的方法越来越多的被应用在解决工程实际问题中。

就目前而言，湍流数值模拟的方法一般有三种：第一种是直接数值模拟方法（DNS），这种方法通过极高的频率的大量的计算，直接对时间相关的 N-S方程进行求解，得出不同瞬时流场的所有参数。这种数值计算的方法对于计算网格模型的密度和计算时间步尺度要求极高，因此需要巨大的计算资源，对计算设备的能力要求很高，难以普及；第二种是基于雷诺平均数值的模拟方法（RANS），这种方法并不是直接求解时间相关的 N-S 方程，而是加入雷诺平均方程，求解流场中各个参数的时均值。其计算精度虽然没有直接数值模拟方法高，但是这种方法兼顾了计算量和计算精度，，能更好的满足实际问题的要求，在工程问题的解决上应用最为广泛；第三种方法是大涡模拟（LES），这种方法是对前面提到的直接数值模拟和雷诺平均数值模拟的一种综合，大涡模拟方法在直接数值模拟的基础上，通过对流场中的小尺度的湍流涡应用模型假设，减小计算量。

基于以上三类湍流数值模拟方法的特点，学者们提出了不同的湍流模型，本节中将根据所研究问题的特点，选择适合的湍流模型，进行分析，为数值模拟研究提供依据。

第 3 章  航行体水下共架垂直发射三维数值模拟 ....... 17

3.1 引言 .......... 17

3.2 首发发航行体水下发射数值模拟 ......... 17

3.2.1 首发航行体运动全过程多相流流场研究.............. 17

第 4 章  航行体水下共架垂直发射流体动力研究 ............ 34

4.1  引言 ............... 34

4.2  数值模拟方法.............. 34

第 4 章 航行体水下共架垂直发射流体动力研究

4.1  引言

前面针对潜射航行体水下共架垂直发射问题，设计了水下航行体共架垂直发射的网格模型与边界条件，探究了数值模拟方法，完成了对首发航行体发射和间隔一定时间后次发航行体发射过程的数值仿真，并对计算结果做出分析，阐释航行体水下共架垂直发射过程的流场和流体动力特性变化规律。

本章主要应用三维数值模拟，对航行体水下共架垂直发射过程不同时序的发射进行数值模拟，对航行体水下共架垂直发射过程中多相流流场特性、载荷和运动学、动力学特性进行研究，并分析不同发射时序对潜射航行体共架垂直发射产生的影响的因素。

结论

本文研究了潜射航行体共架垂直发射的数值仿真方法，建立了潜射航行体共架垂直发射数值仿真模型，并运用流体仿真软件，对潜射航行体共架垂直发射过程中，首发航行体发射全过程和不同发射时序间隔下，次发航行体发射过程中的流场特性和流体动力特性进行了数值仿真。主要研究了连续发射的航行体在运动过程中的多相流流场问题，航行体表面载荷以及航行体运动学和动力学特性。通过对不同发射时序工况的对比研究，分析了发射时序对次发航行体发射的流场和流体动力特性的影响。具体得出研究结论如下：

（1）研究分析了潜射于航行体共架发射问题和数值模拟方法，通过分析普通垂直潜射问题和潜射航行体共架垂直发射问题，并对比二维数值模拟、二维轴对称数值模拟和三维数值模拟的特点，得出了采取三维数值模拟方法完成水下航行体共架发射问题的研究的必要性。

（2）对首发航行体运动过程进行数值模拟，得到了首发航行体出筒后，发射筒内的载荷环境变化。发现发射筒内弹射高温高压气体溢出是分段、周期性的过程这一现象，即气体溢出与海水倒灌两个过程交错进行，发射筒内不同位置的压力也交错升降；并得出了在首发航行体发射约 0.7s 后，其发射筒附近环境压强大约是以 0.05s 为周期升降。 

（3）对时序间隔分别为 0.65s、0.75s，0.95s 和 1.23s 的四个工况进行数值模拟，得出航行体表面压力分布规律：不同工况下次发航行体三个侧面压力按与首发航行体相似的规律分布，但其压力分布情况变化的剧烈程度按照近端表面、侧端表面、远端表面的顺序下降；不同工况下，次发航行体侧表面越靠近航行体头部的位置，其不同侧表面压力分布越趋于一致；次发航行体各个侧表面的表面压力分布随航行体水下运动过程而逐渐趋于一致。

（4）研究了不同发射时序间隔下，次发航行体出筒后的尾部空泡发展情况，并对典型工况中的航行体尾部空泡发展以及流程环境压力进行对比分析。发现了次发航行体在间隔 0.6s 和 0.95s 发射工况中，航行体发射筒口处空泡的发展分别出现了被挤压与被吸入的现象，并且两个工况航行体尾部空泡在之后的发展中出现明显偏斜和不对称现象，且空泡偏斜方向相反。

参考文献（略）