【摘要】 為了滿足新時(shí)期戰(zhàn)略背景下的潛艇作戰(zhàn)要求，在傳統(tǒng)的潛射航行體垂直發(fā)射的基礎(chǔ)上，潛射航行體共架垂直發(fā)射技術(shù)成為了新的重點(diǎn)研究方向。本文利用數(shù)值模擬的方式，針對(duì)潛射航行體共架垂直發(fā)射問(wèn)題中，連續(xù)發(fā)射航行體時(shí)的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值仿真，重點(diǎn)研究首發(fā)航行體發(fā)射后形成的復(fù)雜流場(chǎng)環(huán)境對(duì)次發(fā)航行體發(fā)射造成的影響。首先，通過(guò)分析數(shù)值仿真方法，確立運(yùn)用三維數(shù)值模擬的方式，對(duì)航行體水下共架垂直發(fā)射問(wèn)題進(jìn)行研究。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述和分析了多相流數(shù)值計(jì)算的基本理論，完成了航行體水下共架垂直發(fā)射的數(shù)值仿真模型的建立；其次，分別完成對(duì)首發(fā)航行體發(fā)射出筒過(guò)程和水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)值仿真和對(duì)間隔一定時(shí)間后，次發(fā)航行體發(fā)射出筒過(guò)程和水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)值仿真。分析了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流場(chǎng)特性，兩發(fā)航行體表面載荷分布規(guī)律以及兩發(fā)航行體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，并且研究了首發(fā)航行體出筒后發(fā)射筒內(nèi)的載荷分布和流場(chǎng)環(huán)境壓強(qiáng)變化規(guī)律；最后，通過(guò)對(duì)首發(fā)航行體發(fā)射后不同時(shí)刻流場(chǎng)的變化進(jìn)行進(jìn)一步研究和分析，選出首發(fā)航行體發(fā)射后流場(chǎng)變化的四個(gè)典型時(shí)刻，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬工況，對(duì)不同發(fā)射間隔下，次發(fā)航行體發(fā)射出筒過(guò)程和水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。研究并分析航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的流場(chǎng)特性，航行體的表面載荷分布規(guī)律以及航行體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，并對(duì)比分析不同發(fā)射間隔對(duì)航行體水下共架垂直發(fā)射過(guò)程的流體動(dòng)力特性影響規(guī)律。 

第 1 章  緒論

1.1 課題背景

導(dǎo)彈共架發(fā)射武器系統(tǒng)，是指相同或者不同型號(hào)導(dǎo)彈使用同一發(fā)射裝置實(shí)施戰(zhàn)斗發(fā)射的武器系統(tǒng)。這類(lèi)型系統(tǒng)在水面艦艇上，又多被稱之為通用垂直發(fā)射系統(tǒng)。例如美國(guó)的 MK-41 垂直發(fā)射系統(tǒng)，裝配在導(dǎo)彈驅(qū)逐艦等水面艦艇，可以發(fā)射巡航導(dǎo)彈，防空、反潛導(dǎo)彈等多種不同用途的導(dǎo)彈。該系統(tǒng)從海灣戰(zhàn)爭(zhēng)開(kāi)始已經(jīng)經(jīng)歷了多次實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)，效果卓著。隨著時(shí)代的發(fā)展，戰(zhàn)爭(zhēng)手段、武器技術(shù)的進(jìn)步，將具有強(qiáng)大作戰(zhàn)效能且日趨成熟共架垂直發(fā)射技術(shù)從陸地與水面艦艇平臺(tái)轉(zhuǎn)移到潛艇平臺(tái)的趨勢(shì)日趨明顯。目前各國(guó)都在開(kāi)展相關(guān)的研究，也得到了一些初步的研究結(jié)果。如美國(guó)對(duì)“俄亥俄”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇發(fā)射裝置進(jìn)行共架發(fā)射改裝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的共架發(fā)射。

1.21.2 課題研究意義

現(xiàn)代戰(zhàn)略背景下，各國(guó)越來(lái)越重視從海上(尤其是潛艇)對(duì)敵方的有生力量以及縱深領(lǐng)土進(jìn)行打擊，摧毀敵方的戰(zhàn)機(jī)、艦艇，癱瘓敵人的主要軍政和工業(yè)設(shè)施。不同類(lèi)型的潛艇中，攻擊型潛艇可以執(zhí)行各種對(duì)空、對(duì)地、對(duì)海的戰(zhàn)斗任務(wù)，戰(zhàn)略彈道潛艇可以實(shí)施二次核打擊，進(jìn)行戰(zhàn)略威懾，綜合作戰(zhàn)潛艇甚至可以搭載特戰(zhàn)人員，進(jìn)行特種作戰(zhàn)。鑒于潛艇的這種機(jī)動(dòng)隱蔽特性，發(fā)展拓寬潛艇作戰(zhàn)能力備受各國(guó)重視。

潛艇作戰(zhàn)性能提升，存在兩個(gè)問(wèn)題：首先，潛艇需要攜帶不同類(lèi)型和數(shù)量的導(dǎo)彈來(lái)提升綜合作戰(zhàn)能力，以滿足不同的作戰(zhàn)要求與生存需求；其次，只適應(yīng)單一型號(hào)的導(dǎo)彈發(fā)射的潛艇發(fā)射平臺(tái)，在研發(fā)上造成了浪費(fèi)和低效，這一點(diǎn)在國(guó)外軍備研發(fā)上有前車(chē)之鑒。

潛載的共架發(fā)射武器系統(tǒng)主要具有兩大優(yōu)點(diǎn):  首先，共架垂直發(fā)射增加了潛艇的火力強(qiáng)度和覆蓋面廣度，擴(kuò)展和強(qiáng)化單一潛艇作戰(zhàn)用途和作戰(zhàn)能力。其次，共架發(fā)射系統(tǒng)可以適配多型導(dǎo)彈，一機(jī)多用，在研發(fā)工作上更為經(jīng)濟(jì)合理與高效。這兩大優(yōu)點(diǎn)，恰恰可以很好地解決上述兩個(gè)問(wèn)題。

對(duì)于陸基和�；�共架發(fā)射技術(shù)的研究，國(guó)外大多于上世紀(jì)六七十年代開(kāi)始研發(fā)，隨后的幾十年里，不同型號(hào)的共架發(fā)射平臺(tái)研制成型并裝備部隊(duì)，部分裝置經(jīng)過(guò)多次實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，戰(zhàn)果顯著；至于潛載的共架發(fā)射技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外的研究尚處于起步階段，美俄兩國(guó)曾把彈道導(dǎo)彈發(fā)射裝置經(jīng)模塊化設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單改裝后，實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)導(dǎo)彈共架發(fā)射以及戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈與戰(zhàn)術(shù)巡航導(dǎo)彈共架發(fā)射，該技術(shù)在本世紀(jì)初期已經(jīng)在外軍中已經(jīng)得到應(yīng)用。

第 2 章多相流數(shù)值仿真方法

2.1 引言

本文主要研究潛射航行體共架垂直發(fā)射中，航行體出筒和水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程，重點(diǎn)關(guān)注的是該物理過(guò)程的多相流問(wèn)題。研究這種問(wèn)題最直接有效的方式就是開(kāi)展全尺寸模型試驗(yàn)，這樣可以得到大量符合實(shí)際的工程數(shù)據(jù)和參數(shù)，但試驗(yàn)工作耗時(shí)耗資巨大，不容易開(kāi)展；數(shù)值模擬方法可以比較準(zhǔn)確地對(duì)多相流問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算仿真，而且隨著計(jì)算設(shè)備的發(fā)展和普及，數(shù)值模擬方法也易于開(kāi)展。因此，本文采用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究潛射航行體共架垂直發(fā)射問(wèn)題。

本章主要介紹研究中涉及的流體力學(xué)理論和數(shù)值模擬方法，并在分析理論方法的基礎(chǔ)上，開(kāi)展研究工作。

2.2  湍流模型

2.2.1  湍流問(wèn)題概述

流體流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)超過(guò)某一數(shù)值，流體將由層流狀態(tài)變成湍流狀態(tài)，湍流狀態(tài)之下，流體介質(zhì)之間不斷進(jìn)行動(dòng)量、能量的交換，是一種高度復(fù)雜的非線性流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)湍流現(xiàn)象的研究，是現(xiàn)代物理學(xué)界中，最有難度和挑戰(zhàn)性的研究課題之一，從 200 多年前雷諾在圓管湍流試驗(yàn)中，第一次認(rèn)識(shí)到湍流問(wèn)題開(kāi)始，就有很多卓越的科學(xué)家投入到對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究中，也取得了很多的理論和應(yīng)用成果。時(shí)至今日，雖然湍流問(wèn)題的內(nèi)在機(jī)理依然沒(méi)有被徹底揭示出來(lái)，但各種湍流模型、各種對(duì)湍流問(wèn)題的理論和數(shù)值求解方法已經(jīng)被越來(lái)越多的提出，并應(yīng)用到了科研和工程問(wèn)題中去。

湍流問(wèn)題的研究，就是要在不同的初始狀態(tài)和邊界條件條件下，得出對(duì) N-S方程的解，最好是解析解。但是在對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決中，是很難通過(guò)直接求解與時(shí)間相關(guān)的 N-S 方程來(lái)對(duì)流場(chǎng)的瞬時(shí)變化進(jìn)行精確描述的。因此，學(xué)者們根據(jù)當(dāng)前計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平以及工程問(wèn)題對(duì)流場(chǎng)結(jié)果的要求，發(fā)展出了不同的湍流模型，來(lái)解決不同實(shí)際問(wèn)題。時(shí)至今日，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的發(fā)展和湍流模型的完善，數(shù)值模擬的方法越來(lái)越多的被應(yīng)用在解決工程實(shí)際問(wèn)題中。

就目前而言，湍流數(shù)值模擬的方法一般有三種：第一種是直接數(shù)值模擬方法（DNS），這種方法通過(guò)極高的頻率的大量的計(jì)算，直接對(duì)時(shí)間相關(guān)的 N-S方程進(jìn)行求解，得出不同瞬時(shí)流場(chǎng)的所有參數(shù)。這種數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)于計(jì)算網(wǎng)格模型的密度和計(jì)算時(shí)間步尺度要求極高，因此需要巨大的計(jì)算資源，對(duì)計(jì)算設(shè)備的能力要求很高，難以普及；第二種是基于雷諾平均數(shù)值的模擬方法（RANS），這種方法并不是直接求解時(shí)間相關(guān)的 N-S 方程，而是加入雷諾平均方程，求解流場(chǎng)中各個(gè)參數(shù)的時(shí)均值。其計(jì)算精度雖然沒(méi)有直接數(shù)值模擬方法高，但是這種方法兼顧了計(jì)算量和計(jì)算精度，，能更好的滿足實(shí)際問(wèn)題的要求，在工程問(wèn)題的解決上應(yīng)用最為廣泛；第三種方法是大渦模擬（LES），這種方法是對(duì)前面提到的直接數(shù)值模擬和雷諾平均數(shù)值模擬的一種綜合，大渦模擬方法在直接數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)中的小尺度的湍流渦應(yīng)用模型假設(shè)，減小計(jì)算量。

基于以上三類(lèi)湍流數(shù)值模擬方法的特點(diǎn)，學(xué)者們提出了不同的湍流模型，本節(jié)中將根據(jù)所研究問(wèn)題的特點(diǎn)，選擇適合的湍流模型，進(jìn)行分析，為數(shù)值模擬研究提供依據(jù)。

第 3 章  航行體水下共架垂直發(fā)射三維數(shù)值模擬 ....... 17

3.1 引言 .......... 17

3.2 首發(fā)發(fā)航行體水下發(fā)射數(shù)值模擬 ......... 17

3.2.1 首發(fā)航行體運(yùn)動(dòng)全過(guò)程多相流流場(chǎng)研究.............. 17

第 4 章  航行體水下共架垂直發(fā)射流體動(dòng)力研究 ............ 34

4.1  引言 ............... 34

4.2  數(shù)值模擬方法.............. 34

第 4 章 航行體水下共架垂直發(fā)射流體動(dòng)力研究

4.1  引言

前面針對(duì)潛射航行體水下共架垂直發(fā)射問(wèn)題，設(shè)計(jì)了水下航行體共架垂直發(fā)射的網(wǎng)格模型與邊界條件，探究了數(shù)值模擬方法，完成了對(duì)首發(fā)航行體發(fā)射和間隔一定時(shí)間后次發(fā)航行體發(fā)射過(guò)程的數(shù)值仿真，并對(duì)計(jì)算結(jié)果做出分析，闡釋航行體水下共架垂直發(fā)射過(guò)程的流場(chǎng)和流體動(dòng)力特性變化規(guī)律。

本章主要應(yīng)用三維數(shù)值模擬，對(duì)航行體水下共架垂直發(fā)射過(guò)程不同時(shí)序的發(fā)射進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)航行體水下共架垂直發(fā)射過(guò)程中多相流流場(chǎng)特性、載荷和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，并分析不同發(fā)射時(shí)序?qū)�潛射航行體共架垂直發(fā)射產(chǎn)生的影響的因素。

結(jié)論

本文研究了潛射航行體共架垂直發(fā)射的數(shù)值仿真方法，建立了潛射航行體共架垂直發(fā)射數(shù)值仿真模型，并運(yùn)用流體仿真軟件，對(duì)潛射航行體共架垂直發(fā)射過(guò)程中，首發(fā)航行體發(fā)射全過(guò)程和不同發(fā)射時(shí)序間隔下，次發(fā)航行體發(fā)射過(guò)程中的流場(chǎng)特性和流體動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值仿真。主要研究了連續(xù)發(fā)射的航行體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的多相流流場(chǎng)問(wèn)題，航行體表面載荷以及航行體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。通過(guò)對(duì)不同發(fā)射時(shí)序工況的對(duì)比研究，分析了發(fā)射時(shí)序?qū)Υ伟l(fā)航行體發(fā)射的流場(chǎng)和流體動(dòng)力特性的影響。具體得出研究結(jié)論如下：

（1）研究分析了潛射于航行體共架發(fā)射問(wèn)題和數(shù)值模擬方法，通過(guò)分析普通垂直潛射問(wèn)題和潛射航行體共架垂直發(fā)射問(wèn)題，并對(duì)比二維數(shù)值模擬、二維軸對(duì)稱數(shù)值模擬和三維數(shù)值模擬的特點(diǎn)，得出了采取三維數(shù)值模擬方法完成水下航行體共架發(fā)射問(wèn)題的研究的必要性。

（2）對(duì)首發(fā)航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了首發(fā)航行體出筒后，發(fā)射筒內(nèi)的載荷環(huán)境變化。發(fā)現(xiàn)發(fā)射筒內(nèi)彈射高溫高壓氣體溢出是分段、周期性的過(guò)程這一現(xiàn)象，即氣體溢出與海水倒灌兩個(gè)過(guò)程交錯(cuò)進(jìn)行，發(fā)射筒內(nèi)不同位置的壓力也交錯(cuò)升降；并得出了在首發(fā)航行體發(fā)射約 0.7s 后，其發(fā)射筒附近環(huán)境壓強(qiáng)大約是以 0.05s 為周期升降。 

（3）對(duì)時(shí)序間隔分別為 0.65s、0.75s，0.95s 和 1.23s 的四個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得出航行體表面壓力分布規(guī)律：不同工況下次發(fā)航行體三個(gè)側(cè)面壓力按與首發(fā)航行體相似的規(guī)律分布，但其壓力分布情況變化的劇烈程度按照近端表面、側(cè)端表面、遠(yuǎn)端表面的順序下降；不同工況下，次發(fā)航行體側(cè)表面越靠近航行體頭部的位置，其不同側(cè)表面壓力分布越趨于一致；次發(fā)航行體各個(gè)側(cè)表面的表面壓力分布隨航行體水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程而逐漸趨于一致。

（4）研究了不同發(fā)射時(shí)序間隔下，次發(fā)航行體出筒后的尾部空泡發(fā)展情況，并對(duì)典型工況中的航行體尾部空泡發(fā)展以及流程環(huán)境壓力進(jìn)行對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)了次發(fā)航行體在間隔 0.6s 和 0.95s 發(fā)射工況中，航行體發(fā)射筒口處空泡的發(fā)展分別出現(xiàn)了被擠壓與被吸入的現(xiàn)象，并且兩個(gè)工況航行體尾部空泡在之后的發(fā)展中出現(xiàn)明顯偏斜和不對(duì)稱現(xiàn)象，且空泡偏斜方向相反。

參考文獻(xiàn)（略）