导弹水下垂直热发射方式因布局紧凑、结构简单、导弹水下航程短等特点,逐渐成为未来潜射战术武器发展的重要趋势。水下热发射伴随着筒内高速气体的复杂流动和筒口水气多相混合流动,呈现出复杂的流动状态和变化规律,对发射动力、发射载荷等有着重要影响;此外,在水下环境中,发射深度变化引起的环境背压变化、洋流与艇速产生的水流作用、筒口高温燃气与周围环境的水掺混伴随的传热传质过程等都可能对水下热发射过程产生影响。深入研究水下热发射过程中的流动状态和变化规律,分析发射动力和发射载荷产生机理以及影响因素,对认识水下热发射伴随的现象和规律,对国内水下热发射技术的发展,具有重要的理论意义和工程应用价值。为此,本文以同心筒结构的潜射导弹水下垂直热发射过程为研究对象,利用理论分析、数值仿真和实验研究方法对发射过程中的多相复杂流动状态及产生机理、发射动力以及发射载荷等进行深入研究,主要工作包括以下几个方面:1.分析水下热发射涉及的筒内高速气体流动、筒口气液多相混合流动以及弹体运动引起的计算域变化等因素,建立能够满足水下热发射过程研究的数值计算模型。模型采用三维非定常N?S方程描述流体运动基本状态,采用雷诺平均方法建立计算方程,并利用基于涡粘性假设的RNG?k??湍流模型对雷诺平均方程进行封闭处理。计算模型主要采用MIXTURE模拟两相/多相混合流动过程,采用基于饱和蒸气条件的相变模型模拟水-汽两相的传热传质过程。考虑到发射过程中的弹体运动,模型采用域动网格技术模拟计算域变化引的网格更新。2.以30 m水深下的热发射过程为基础,对采用同心筒结构发射装置的水下热发射过程进行深入研究和分析,明确了筒口气泡发展变化规律、发射筒内气体流动状态、发射动力和发射载荷的典型特征等。研究表明:水下发射时由同心筒内外筒间隙喷出的气体与环境水相互作用,在筒口附近形成射流气泡;射流气泡受相间相互作用过程、弹体表面粘性力以及气流附壁效应等因素影响,依次经历“面包圈”形、“蘑菇”形和“纺锤”形三种典型形态,不会产生显著的气泡断裂和脱落情况,气泡内压强在环境背压附近振荡变化。受内外筒间隙摩擦流动产生的压强损失和气流雍塞现象影响,发射筒内部压强显著高于筒口气泡压强以及环境压强,产生有助于弹体运动的增推作用力,在本研究中,增推作用力最大可占到发射动力的93%。在发射过程中,由发动机喷出的燃气射流对发射筒底部会产生显著的压强冲击,而筒内较高的压强也会形成较大的垂向作用力,对发射筒刚度和强度设计提出较高要求;此外,水下发射时弹体承受的压强载荷显著高于舰面环境。3.针对水下热发射的典型影响因素如发射水深、相间传热传质、艇速或洋流条件、发射筒结构形式等进行研究分析,明确这些因素对发射动力、发射载荷以及流动状态的影响机理。研究表明:发射深度的增加会使弹体头部和底部压强增加,但弹体底部压强增加幅值小于头部压强增幅,弹体受到的增推作用力降低,弹体出筒速度降低;相间传热传质过程主要通过降低筒口附近气流温度影响发射过程,流出发射筒的气体流量轻微增加,筒内压强降低,弹体承受的增推作用力也略微降低,但影响极小;艇速或洋流引起的水流通过改变筒口气泡位置和形态影响发射过程,在低速来流条件下,筒口气泡根部气流通道受到的影响较小,来流对发射过程中弹体运动的影响也很小;发射装置间隙尺寸直接影响气流排出发射筒的流量,对发射过程、筒内载荷等均有显著影响,间隙尺寸越小,发射筒排出气体流量越低,发射动力和发射载荷均会相应增加。4.综合分析水下热发射的典型流动过程、动力特性和影响因素,建立同心筒水下热发射过程的理论计算模型。理论计算模型对同心筒发射装置内外流场进行分区建模,对于同心筒内各区域,考虑气体质量变化、状态变化和能量变化,建立质量平衡方程、状态方程和能量方程;对于筒外利用Rayleigh-Plesset方程、燃气泡内能量方程和流入气泡的燃气流量方程,建立燃气泡变化发展模型;导弹运动简化为只沿轴线运动的模型。对比分析理论计算模型结果与CFD的计算结果表明,理论模型能够反映同心筒水下热发射的典型气体状态和弹体受力特性,能够为理论研究、方案设计和参数选择提供便捷的手段。