基于CFD的主压载水舱吹除仿真与试验验证_羿琦.pdf

基于CFD的主压载水舱吹除仿真与试验验证羿琦1，2，林博群1，2，张万良1，2，陈硕3，邹文天1，2，张康1，2（1.中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082；2.深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡 214082；3.一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂，江苏 无锡 214026）摘要：采用CFD方法对压缩空气吹除主压载水舱过程进行仿真，同时开展水舱吹除等比模型试验，验证了两种湍流模型的预报准确性。在此基础上，着重研究水舱气液两相流动过程以及舱内气体压力动态变化特性，分析气源压力、通海孔面积对吹除的影响。研究发现：两种湍流模型均可以较好地预测水舱吹除过程，其中，Realizable k-模型对气瓶气体压力的预测与试验吻合更好；SST k-模型对于水舱中气体压力的预测与试验相对较为接近。通海孔面积增加可以显著减弱水舱气体积压，在气源压力为2.16 MPa、5.04 MPa和8.16 MPa时，通海孔面积增大5.14倍，试验测得的水舱峰压分别减少51.13%、59.90%和64.82%，仿真得到的水舱峰压分别减少50.44%、57.30%和60.02%。在吹除后期，有压缩空气从通海孔溢出，舱内气体压力迅速下降，可以此作为解除吹除的判据。关键词：VOF方法；主压载水舱；通海孔；水舱峰压中图分类号：U674.76文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2023.02.006CFD simulation and experimental verification ofblowing process of main ballast tankYI Qi1,2,LIN Bo-qun1,2,ZHANG Wan-liang1,2,CHEN Shuo3,ZOU Wen-tian1,2,ZHANG Kang1,2(1.State Key Laboratory of Deepsea Manned Vehicles,China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China;2.Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science,Wuxi 214082,China;3.Wuxi Diesel Engine Works,FAW Jiefang Automotive Co.,Ltd.,Wuxi 214026,China)Abstract:The process of compressed air blowing main ballast tank was simulated by CFD method,and anequal scale model test was carried out to verify the prediction accuracy of two turbulence models.On this basis,the air-liquid two-phase flow process and the dynamic variation characteristics of air pressure in mainballast tank were studied emphatically,and the effects of air source pressure and sea opening area on theblowing were analyzed.It is found that both turbulence models can well predict the blowing process,amongwhich,the prediction of air pressure in bottle by Realizable k-model is more consistent with the test resultswhile the prediction of air pressure in main ballast tank by SST k-model is relatively close to the test results.The increase of sea opening area can significantly reduce the accumulated air pressure in main ballasttank.When the air source pressure is 2.16 MPa,5.04 MPa and 8.16 MPa,the sea opening area increases by5.14 times,the peak pressure of air in main ballast tank measured by the test decreases by 51.13%,59.90%and 64.82%respectively,and the peak pressure of air obtained by simulation decreases by 50.44%,57.30%and 60.02%respectively.In the later stage of blowing,the compressed air overflows from the sea opening,第27卷第2期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号：1007-7294（2023）02-0218-09收稿日期：2022-08-30基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK20200165）作者简介：羿琦（1993-），男，工程师，E-mail：。and the air pressure in the main ballast tank drops rapidly,which can be used as the criterion to stop blowing.Key words:VOF method;main ballast tank;sea opening;peak pressure of air in main ballast tank0 引言高航速下卡舵和低航速下舱室破损进水是对潜艇危害较严重的两类事故1。在现有的操纵技术条件下，发生此类事故时，最有效的操纵方式是利用压缩空气吹除主压载水舱获取正浮力和挽回校正力矩2，并配合操舵、增速等抗沉措施对潜艇进行掉深挽回，使潜艇深度和纵倾恢复到安全界限以内。采用压缩空气吹除主压载水舱涉及气液两相流动，在压缩空气膨胀将压载水排出水舱的同时还伴随剧烈的气液掺混，吹除过程具有强烈的非定常特性。围绕压缩空气吹除主压载水舱的研究对于潜艇的动力抗沉具有重要意义，而对吹除过程的准确预报又是水舱吹除研究中的关键。目前，压缩空气吹除主压载水舱的研究主要包括数理模型研究、CFD数值仿真以及试验研究。水舱吹除数理模型最早由瑞典船舶研究中心（SSPA）的Bystrom提出3，后经刘辉、王晓峰、胡坤等不断完善。刘辉等4-5建立了高压气吹除主压载水舱短路吹除和常规吹除模型，并设计小比例实验装置进行高压气吹除的流动实验，通过与实验对比发现所建数理模型能较好描述高压气的流动过程；王晓峰等6-7考虑重力对吹除过程的影响，改进现有压载水舱高压气体吹除数理模型，并对原始数理模型与改进数理模型进行差异对比，通过高压气体吹除系统的模型试验，验证改进数理模型的可靠性；胡坤等8提出适用于短路吹除的理论数学模型，并进行CFD数值仿真，发现数理模型结果与数值仿真结果吻合较好。随着计算流体力学的发展，CFD仿真以其较低的成本、较灵活的边界条件参数设置、日臻完善的数学和仿真模型，逐渐成为水舱吹除研究的主流研究方法。李其修等1通过CFD中两相流VOF模型对高压气吹除压载水舱的动态过程进行仿真，分析吹除过程压载水舱中气液混合现象、压力变化情况及压载水舱排水速率等特点；张建华等9-10应用VOF两相流模型，对不同水深时高压气吹除主压载水舱过程进行了数值模拟，研究了气液两相界面的形成及生长过程，深入分析了水舱排水速率的变化规律，并针对压载水的残留现象提出了实际操艇过程中需要注意的问题。试验研究耗资巨大且周期较长，所以国内开展的多是小比例模型原理实验。杨晟等11-12进行了潜艇应急燃气吹除系统的小比例模型原理实验，模拟了水下100 m深度时燃气吹除的排水性能与规律，以及燃气吹除过程中的主要性能参数变化情况；刘辉等13为了验证推导建立的高压气吹除主压载水舱数理模型的准确性和合理性，设计了潜艇高压气吹除主压载水舱小比例模型，进行不同模式下高压气吹除压载水舱小比例模型原理实验，得到了高压气吹除压载水舱排水性能以及吹除过程中主要性能参数变化情况，验证了吹除数理模型的准确性。然而，水舱吹除数理模型的建立是基于多种假设，且模型没有考虑实艇管路系统的影响，即使是短路吹除工况，模型的适应性也并不高，需要根据气源压力以及实际管路布置对阀流量系数进行校正；小尺度模型试验成本较高且试验周期较长，且由于尺度效应的存在对实艇操作并不具有直接指导意义。本文采用VOF方法对水舱吹除过程的液面进行追踪，同时开展压缩空气吹除主压载水舱等比模型试验，以验证不同湍流模型的预报准确性。在此基础上，着重研究水舱气液两相流动过程以及舱内气体压力动态变化特性，分析气源压力、通海孔面积对吹除的影响。1 水舱吹除试验1.1 试验装置试验装置组成如图1所示，包含补气系统，吹除管路系统，注、排水系统和控制系统。其中，补气第2期羿琦等：基于CFD的主压载水舱吹除仿真与 219系统为3个高压空气瓶补气，气瓶设瓶头阀，每个气瓶可单独或同时作为气源使用；吹除管路系统的吹除阀用于控制压缩气体的释放与关闭；注、排水系统通海孔可以换装不同通径法兰，用于模拟不同的通海孔面积；控制系统的功能为控制吹除阀和通气阀的启闭，接收阀位状态反馈，同时采集气瓶压力、水舱压力和水舱液位数据。高压空气瓶高压空气瓶控制箱控制箱补气系统补气系统吹除管路系统吹除管路系统控制系统控制系统LI排气口通海孔排气口通海孔P水池水池注、排水系统注、排水系统P单向阀单向阀手动阀吹除阀手动阀吹除阀通气阀通气阀支架支架水舱空压机干燥过滤装置水舱空压机干燥过滤装置PLI滤器液位计压力变送器滤器液位计压力变送器图1 试验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of the test device1.2 试验流程详细的试验流程如下：（1）启动控制系统采集系统数据，启动空压机为高压空气瓶充气至设定压力；（2）换装通海孔法兰，控制通气阀开启为水舱注水，注满后关闭通气阀；（3）控制吹除阀开启，进行水舱吹除；（4）实时观测水舱液位，当液位足够低时，控制吹除阀关闭，试验结束。2 仿真物理模型和数学描述2.1 仿真物理模型由于吹除管路引到主压载水舱底部且出口向上弯曲，压缩空气由水舱底部进入水舱，气体出流方向向上，因此，将仿真物理模型简化成底吹进气方式14。简化后的仿真物理模型如图2所示。主压载水舱设置2个通海孔，将吹除管路系统简化成等截面直管，等效直管长度为20 m，考虑到通海孔出口处射流收缩会对水舱的排水速率有一定影响，物理模型中通海孔外加入一段海水流域，称为舱外海域。2.2 湍流模型压缩空气吹水的过程具有强烈的瞬态性和非线性，本文分别采用Realizable k-模型和SST k-模型计算水舱吹除过程，研究两种模型对水舱吹除计算的适用性。（1）Realizable k-模型Realizable k-模型为对标准k-模型的修正，其优势在于可以更精确地模拟平面和圆形射流的打散速度，对于旋转流、分离流和有方向压力梯度的边界层流动的计算更为精确。在该模型中，涡流粘度t计算式中的系数C不再是常数。t=Ck2(1)主压载水舱通海孔舱外海域管路高压空气瓶图