劉耀峰,薄靖龍
(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京100074)
側(cè)向噴流控制技術(shù)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)噴流提供的直接力,對(duì)飛行器的姿態(tài)與軌道進(jìn)行控制,當(dāng)舵面控制無(wú)法滿足需求時(shí),可用于補(bǔ)充或替代舵面。側(cè)向噴流控制技術(shù)具有響應(yīng)時(shí)間短,不受來(lái)流動(dòng)壓影響等優(yōu)點(diǎn),正在應(yīng)用到越來(lái)越多的飛行器上,如航天飛機(jī)、飛船、高機(jī)動(dòng)導(dǎo)彈等[1]。
側(cè)向噴流干擾流場(chǎng)中包含復(fù)雜的波系、渦系結(jié)構(gòu)、流動(dòng)的分離與再附等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外對(duì)于這類復(fù)雜干擾現(xiàn)象的研究已持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì),研究工作包括理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)等。但不論是在流動(dòng)機(jī)理上還是在工程應(yīng)用上仍然存在很多問(wèn)題需要深入地探討。
非定常性是側(cè)向噴流干擾流動(dòng)的一個(gè)重要特性,主要體現(xiàn)在噴流的非定常性、噴流與來(lái)流干擾流場(chǎng)建立及消退過(guò)程的非定常性以及分離區(qū)內(nèi)激波/激波干擾、激波/剪切層干擾的非定常性等。非定常過(guò)程產(chǎn)生的動(dòng)載荷和氣動(dòng)力波動(dòng)會(huì)對(duì)彈體結(jié)構(gòu)以及控制精度產(chǎn)生影響。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)噴流干擾的非定常效應(yīng)影響對(duì)總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。
在以往的研究中,人們關(guān)注較多的是定常噴流干擾效應(yīng),其非定常干擾效應(yīng)并未引起廣泛的重視,研究工作相對(duì)比較少。1997年在Arnold工程發(fā)展中心進(jìn)行了瞬態(tài)噴流干擾效應(yīng)的探索性實(shí)驗(yàn)研究[2],采用高速Kulite壓力傳感器測(cè)量得到瞬態(tài)表面壓力,并綜合應(yīng)用加速度計(jì)和應(yīng)變儀測(cè)量數(shù)據(jù)得到了瞬態(tài)力和力矩。1998年,日本科研人員[3-5]采用風(fēng)洞試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)和CFD計(jì)算等方法定性和定量評(píng)估導(dǎo)彈非定常側(cè)噴氣動(dòng)干擾效應(yīng),結(jié)果表明側(cè)向噴流非定常干擾效應(yīng)對(duì)彈體氣動(dòng)力動(dòng)態(tài)特性有較大的影響。Dash[6]在類AIT外形上采用數(shù)值方法研究了側(cè)向軌控噴流干擾流場(chǎng)的非定常特性,Ebrahimi[7]研究了攔截彈外形上噴流發(fā)動(dòng)機(jī)開啟和關(guān)閉過(guò)程的瞬態(tài)效應(yīng),結(jié)果表明噴流開啟到穩(wěn)定的過(guò)程中,力和力矩存在一個(gè)較高的峰值。劉耀峰[8]在帶有叉字形四片翼的尖拱頭部-圓柱組合體外形上采用顯式雙時(shí)間步方法計(jì)算了非定常側(cè)噴干擾流場(chǎng),劉君等[9]利用多組分的N-S方程,研究了發(fā)動(dòng)機(jī)非定常工作過(guò)程對(duì)導(dǎo)彈氣動(dòng)力動(dòng)態(tài)特性的影響。楊彥廣等[10]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)車過(guò)程中典型時(shí)刻的流場(chǎng)進(jìn)行了細(xì)致的刻畫,分析了流動(dòng)參數(shù)和模型氣動(dòng)力系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,并給出了噴流壓比和攻角變化所帶來(lái)的影響。孫得川等[11]采用3階WENO方法計(jì)算了大氣層內(nèi)帶有側(cè)向噴流的超聲速導(dǎo)彈非定常繞流流場(chǎng)。劉學(xué)強(qiáng)等[12]采用DES方法針對(duì)噴流在開啟關(guān)閉時(shí)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。陳堅(jiān)強(qiáng)等[13]研究了舵面運(yùn)動(dòng)與側(cè)向噴流間相互干擾的非定常動(dòng)態(tài)相應(yīng)問(wèn)題。以上研究獲得了許多有價(jià)值的結(jié)論,但研究工作缺乏系統(tǒng)性與確定性,難以形成規(guī)律性的認(rèn)識(shí),對(duì)于噴流非定常干擾效應(yīng)的機(jī)理以及如何應(yīng)用于工程實(shí)踐尚需要開展進(jìn)一步探索研究。
本文重點(diǎn)關(guān)注側(cè)向噴流干擾流場(chǎng)建立與消退過(guò)程中波系等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展及氣動(dòng)特性隨時(shí)間的變化情況。利用自編的適用于高超聲速側(cè)噴非定常干擾效應(yīng)研究的CFD軟件[14],并嘗試應(yīng)用多重網(wǎng)格方法[15]加速內(nèi)迭代收斂速度,數(shù)值研究了錐-柱-裙外形上高超聲速軌控側(cè)向噴流干擾流場(chǎng)建立及消退過(guò)程的非定常特性。獲得了詳細(xì)的瞬時(shí)噴流干擾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性,分析了法向力放大系數(shù)(Ky)、干擾力矩系數(shù)(Kmz)、法向力系數(shù)(Cy)、俯仰力矩系數(shù)(Cmz)隨時(shí)間的變化特性,并與定常結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明高超聲速來(lái)流條件下噴流干擾流場(chǎng)的建立與消退過(guò)程存在強(qiáng)烈的非定常效應(yīng),工程設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真考慮。同時(shí)本文的研究工作可為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)側(cè)向噴流非定常作用機(jī)制及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)與參考。
采用三維可壓縮層流Navier-Stokes方程為控制方程,通過(guò)有限體積方法進(jìn)行離散,對(duì)流項(xiàng)離散采用二階精度的Roe格式[16],黏性項(xiàng)離散采用中心差分格式,時(shí)間項(xiàng)離散使用雙時(shí)間步方法[17],其中內(nèi)迭代采用LU-SGS隱式方法[18],并采用多重網(wǎng)格方法加快內(nèi)迭代收斂速度[15]。根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn),S-A一方程湍流模型在復(fù)雜側(cè)噴干擾研究中的適用性較好,獲得的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符,本文湍流模型選用一方程S-A模型[19]。
計(jì)算過(guò)程中,需要對(duì)雙時(shí)間步方法的內(nèi)迭代收斂過(guò)程進(jìn)行判斷和控制,使得內(nèi)迭代過(guò)程在保證時(shí)間精度的前提下盡快結(jié)束。合理的方法是給定一個(gè)內(nèi)迭代收斂判據(jù)來(lái)確定內(nèi)迭代次數(shù)。本文選用的收斂判據(jù)[20]為:
式中:x為網(wǎng)格單元總數(shù),φ為流場(chǎng)特征變量,取壓力或密度。當(dāng)Tol小于某一給定值時(shí)(如10-2),認(rèn)為內(nèi)迭代過(guò)程收斂。對(duì)于有側(cè)向噴流干擾的復(fù)雜流場(chǎng),內(nèi)迭代過(guò)程常因達(dá)不到收斂判據(jù)而陷入死循環(huán),本文在計(jì)算過(guò)程中在給定內(nèi)迭代收斂判據(jù)的同時(shí)限定內(nèi)迭代的最大迭代次數(shù)。
1)入流邊界:來(lái)流為高超聲速,入流邊界處給定來(lái)流的靜壓、靜溫及馬赫數(shù)。
2)出流邊界:出口為超聲速時(shí)下游流場(chǎng)不影響上游流場(chǎng),將所有參數(shù)數(shù)值外推。
3)物面邊界:采用無(wú)滑移絕熱壁條件。
4)對(duì)稱邊界:對(duì)稱面上法向速度為零,所有變量的法向梯度為零。
5)噴流邊界:直接使用噴管出口參數(shù)。
首先計(jì)算相同來(lái)流條件下無(wú)噴流定常流場(chǎng),以此定常流場(chǎng)作為非定常流動(dòng)計(jì)算的初場(chǎng)。
計(jì)算模型為圖1所示的錐-柱-裙外形[21],模型總長(zhǎng)為1461 mm,底部直徑370 mm,噴管位于模型0°子午線上,噴管中心線經(jīng)過(guò)質(zhì)心。圖1同時(shí)給出了計(jì)算用坐標(biāo)系。計(jì)算網(wǎng)格采用分區(qū)對(duì)接方式,網(wǎng)格在壁面、噴口附近加密處理。網(wǎng)格單元總量為204萬(wàn),分為33塊,圖2給出了噴口附近局部網(wǎng)格。
圖1 幾何外形及氣動(dòng)特性系數(shù)方向定義Fig.1 Model geometry and dynamic coefficient directions
圖2 噴口附近局部網(wǎng)格Fig.2 Local grids in the vicinity of nozzle exit
來(lái)流條件:來(lái)流馬赫數(shù)為8.0,單位雷諾數(shù)為1.54×107,其它參數(shù)詳見(jiàn)表1。噴流條件:本文選擇了一種簡(jiǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)建壓曲線,如圖3所示,在零時(shí)刻打開噴流,不考慮噴流從啟動(dòng)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間,假設(shè)噴流瞬時(shí)建立;在1.5 ms時(shí)關(guān)閉噴流,不考慮噴流完全關(guān)閉所使用的時(shí)間,認(rèn)為噴流出口壓力從平臺(tái)壓力減小為零瞬時(shí)完成。這樣處理就把噴流本身的建壓過(guò)程和干擾流場(chǎng)的建立與消退過(guò)程分離開來(lái)。在計(jì)算過(guò)程中出口馬赫數(shù)和溫度保持不變,具體噴流參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Computational parameters
圖3 噴管出口壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.3 The jet pressure with time at nozzle exit
由于側(cè)向噴流干擾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在使用雙時(shí)間步方法計(jì)算非定常側(cè)噴干擾流場(chǎng)時(shí),內(nèi)迭代收斂非常緩慢,往往需要數(shù)百步的計(jì)算,才能滿足對(duì)時(shí)間精度的要求,其計(jì)算量之大、計(jì)算時(shí)間之長(zhǎng)在工程應(yīng)用中是難以接受的。因此,需要采取合適的加速收斂措施,在不降低計(jì)算精度的前提下,最大程度地減小計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。
本文采用多重網(wǎng)格方法加速內(nèi)迭代過(guò)程收斂速度,由于流場(chǎng)形成與發(fā)展過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)激波系、低壓區(qū)等復(fù)雜結(jié)構(gòu),需要在傳統(tǒng)多重網(wǎng)格方法的基礎(chǔ)上采取改進(jìn)措施以限制數(shù)值計(jì)算過(guò)程中負(fù)壓力、負(fù)密度等非物理現(xiàn)象的產(chǎn)生,提高多重網(wǎng)格方法在側(cè)向噴流干擾流場(chǎng)模擬中的魯棒性,詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。
圖4 法向力系數(shù)隨時(shí)間的變化歷程Fig.4 Comparison of normal force coefficient process
本文多重網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用全近似(FAS)格式,采用兩重網(wǎng)格V循環(huán),圖4給出了本文算例分別采用單重網(wǎng)格和多重網(wǎng)格在不同最大內(nèi)迭代次數(shù)條件下計(jì)算得到的法向力系數(shù)隨時(shí)間的變化歷程比較,從圖中可以看出單重網(wǎng)格不同最大內(nèi)迭代次數(shù)條件下獲得的結(jié)果存在差異,多重網(wǎng)格最大內(nèi)迭代次數(shù)取為50和75時(shí)的結(jié)果幾乎重合,多重網(wǎng)格最大內(nèi)迭代次數(shù)為50時(shí)的結(jié)果與單重網(wǎng)格最大內(nèi)迭代次數(shù)為600時(shí)的結(jié)果基本一致,可見(jiàn)采用多重網(wǎng)格方法可顯著地減少計(jì)算量及計(jì)算時(shí)間,表現(xiàn)出了良好的加速收斂效果。
圖5給出了噴流干擾流場(chǎng)建立過(guò)程中不同時(shí)刻壁面及對(duì)稱面壓力等值線圖,反映了干擾流場(chǎng)細(xì)節(jié)隨時(shí)間的變化特性。在0.05 ms時(shí),噴流作用尚局限在噴口附近比較小的范圍內(nèi),可以觀察到在噴流前方有一道微弱的激波。0.21 ms時(shí),噴流弓形激波的高度和強(qiáng)度有了明顯的增強(qiáng),分離激波的影響范圍有明顯增加,裙尾已受到噴流干擾的影響。0.3 ms時(shí),弓形激波的高度和強(qiáng)度繼續(xù)加大,同時(shí)噴流干擾影響到達(dá)下表面,形成了微弱的包裹效應(yīng)。0.5 ms以后,噴流上游流場(chǎng)基本不再變化,分離區(qū)基本穩(wěn)定;從流場(chǎng)結(jié)構(gòu)上看,0.8 ms和1.5 ms時(shí)的流場(chǎng)基本一致。
圖5 建立過(guò)程彈體表面及對(duì)稱面等壓力云圖(M∞=8.0,α=0°)Fig.5 Pressure contours on body surface and symmetric plane at the jet startup process(M∞=8.0,α=0°)
圖6給出了不同時(shí)刻上表面對(duì)稱線上壓力分布,可以看出隨著時(shí)間的增加,噴流影響區(qū)域不斷擴(kuò)展,緊靠噴流前的壓力峰值自0.05 ms以后逐漸降低,趨于穩(wěn)定。緊靠噴口后的壓力降低,由于噴流的影響,裙尾前段壓力升高,后段壓力降低,噴口后的壓力分布在0.8 ms以后趨于穩(wěn)定。
圖6 建立過(guò)程上表面對(duì)稱線壓力分布(M∞=8.0,α=0°)Fig.6 Pressure distribution of 0°centerline at the jet startup process(M∞=8.0,α=0°)
圖7給出了不同時(shí)刻壁面及對(duì)稱面壓力等值線圖,從圖中可以清晰地看到噴流關(guān)閉之后干擾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的消退歷程。在噴流關(guān)閉之后0.05 ms內(nèi),弓形激波及相應(yīng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與充分發(fā)展的有噴流流場(chǎng)相比無(wú)明顯的變化,在1.77 ms時(shí),可以清晰地看到弓形激波的強(qiáng)度減弱、激波位置后移到噴口之后,1.98 ms時(shí),激波越過(guò)裙尾,此時(shí)激波強(qiáng)度進(jìn)一步減弱。2.4 ms以后,激波完全消失,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與無(wú)噴定常狀態(tài)基本相同。
圖8給出了不同時(shí)刻上表面對(duì)稱線壓力分布。可以看出,隨時(shí)間推移,彈體上表面高壓區(qū)向后移動(dòng),其峰值量值不斷減小。而在1.77 ms~1.85 ms時(shí)峰值壓力有一定幅度回升,這是因?yàn)楣渭げㄟ_(dá)到裙尾,氣流在裙尾前再次壓縮。2.4 ms以后,上表面對(duì)稱線上壓力值已經(jīng)接近無(wú)噴流值。
由于噴流干擾流場(chǎng)的建立和消退過(guò)程受到的主導(dǎo)因素不同,兩者花費(fèi)的時(shí)間不同,噴流流場(chǎng)的建立過(guò)程花費(fèi)了0.8 ms建立起了穩(wěn)定的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),噴流關(guān)閉后,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的消退過(guò)程花費(fèi)了約0.5 ms的時(shí)間。
通常采用力和力矩放大系數(shù)來(lái)表征噴流對(duì)氣動(dòng)特性的影響,對(duì)于本文由于軌控發(fā)動(dòng)機(jī)位于彈體質(zhì)心,噴流本身產(chǎn)生的力矩理論上為0,傳統(tǒng)定義的力矩放大系數(shù)失效,本文選擇使用干擾力矩系數(shù)(Kmz)來(lái)表征軌控噴流對(duì)干擾力矩的影響,其物理含義是噴流干擾引起的噴流推力作用點(diǎn)位置的改變,負(fù)值代表前移,正值代表后移。法向力放大系數(shù)、干擾力矩系數(shù)定義見(jiàn)式(2)和式(3):
式中:下標(biāo)jeton、jetoff分別表示有噴、無(wú)噴時(shí)總的氣動(dòng)力/力矩系數(shù),下標(biāo)jet表示噴流本身產(chǎn)生的氣動(dòng)力/力矩系數(shù)。
圖9和圖10分別給出了法向力系數(shù)(Cy)和俯仰力矩系數(shù)(Cmz)隨時(shí)間的變化曲線以及與有噴定常值和無(wú)噴定常值的比較,其中氣動(dòng)力/力矩系數(shù)不包括發(fā)動(dòng)機(jī)本身的貢獻(xiàn)??梢钥闯?在噴流啟動(dòng)后,兩者均存在一定幅度波動(dòng),隨后趨于有噴定常值。在噴流關(guān)閉之后,法向力系數(shù)經(jīng)歷小幅震蕩之后逐漸趨于無(wú)噴定常值,俯仰力矩系數(shù)經(jīng)震蕩幅度大,由于弓形激波后退的影響,會(huì)產(chǎn)生較大的抬頭力矩。
圖7 消退過(guò)程彈體表面及對(duì)稱面等壓力云圖(M∞=8.0,α=0°)Fig.7 Pressure contours on body surface and symmetric plane at the jet shutdown process(M∞=8.0,α=0°)
圖11給出了噴流開啟過(guò)程中法向力放大系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖中可以看出:在噴流啟動(dòng)后,法向力放大系數(shù)先增加后減小,而后再增大趨于定常解。這一變化趨勢(shì)可以從第3.1節(jié)干擾流場(chǎng)的建立過(guò)程中得到解釋,在0.21 ms時(shí),由于噴流上游產(chǎn)生了很強(qiáng)的弓形激波和高壓區(qū),而噴流下游的低壓區(qū)很小,從而出現(xiàn)了較大的附加法向力,而后下游的低壓區(qū)域繼續(xù)增大,附加干擾力逐漸減小,0.3 ms以后下游低壓區(qū)壓力逐漸升高,附加干擾力增大,因而法向力放大系數(shù)出現(xiàn)減小再增大的現(xiàn)象。圖中同時(shí)給出了定常收斂值(噴管出口壓力取Pj=32.21P∞,出口馬赫數(shù)與出口溫度與表1相同)和非定常時(shí)均值,可以看出非定常時(shí)均值與定常值存在差別。
圖8 消退過(guò)程上表面對(duì)稱線壓力分布(M∞=8.0,α=0°)Fig.8 Pressure distribution of 0°centerline at the jet shutdown process(M∞=8.0,α=0°)
圖9 法向力系數(shù)隨時(shí)間變化特性(M∞=8.0,α=0°)Fig.9 Variation of normal force coefficient with time(M∞=8.0,α=0°)
圖10 俯仰力矩系數(shù)隨時(shí)間變化特性(M∞=8.0,α=0°)Fig.10 Variation of pitching moment coefficient with time(M∞=8.0,α=0°)
圖12給出了干擾力矩系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律,并與定常值及非定常時(shí)均值進(jìn)行了比較??梢钥闯觯趪娏鏖_啟后干擾力矩系數(shù)正負(fù)值交替出現(xiàn),說(shuō)明在噴流開啟后噴流推力作用點(diǎn)不穩(wěn)定,時(shí)而前移時(shí)而后移,在0.3 ms時(shí)距離質(zhì)心位置最遠(yuǎn)。比較定常值和非定常時(shí)均值,發(fā)現(xiàn)兩者存在差別。
圖11 法向力放大系數(shù)隨時(shí)間變化特性(M∞=8.0,α=0°)Fig.11 Variation of normal force amplification factors with time(M∞=8.0,α=0°)
圖12 干擾力矩系數(shù)隨時(shí)間變化特性(M∞=8.0,α=0°)Fig.12 Variation of interference moment coefficient with time(M∞=8.0,α=0°)
利用基于三維雷諾平均N-S方程、有限體積離散及雙時(shí)間步方法的側(cè)噴干擾非定常計(jì)算方法,數(shù)值研究了錐-柱-裙外形上高超聲速軌控側(cè)向噴流干擾流場(chǎng)建立及消退過(guò)程的非定常效應(yīng),給出了詳細(xì)的噴流瞬時(shí)干擾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性。分析了法向力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)、法向力放大系數(shù)及干擾力矩系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律,并與定常值及非定常時(shí)均值進(jìn)行了比較,通過(guò)本文研究,可得到如下結(jié)論:
1)高超聲速來(lái)流條件下噴流干擾流場(chǎng)的建立與消退過(guò)程具有強(qiáng)烈的非定常效應(yīng),瞬態(tài)值和時(shí)均值及定常值差別明顯。
2)噴流干擾流場(chǎng)建立過(guò)程中,噴流開啟到穩(wěn)定狀態(tài)之間法向力存在一個(gè)較高的峰值。
3)噴流完全關(guān)閉之后,在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)流場(chǎng)中還存在噴流干擾力的殘余影響,俯仰力矩系數(shù)變化劇烈。
本文給出了一定條件下軌控噴流干擾流場(chǎng)建立與消退過(guò)程的非定常特性及引起的劇烈的氣動(dòng)力變化特性,并得到了一些有意義的結(jié)論,但側(cè)噴干擾效應(yīng)非常復(fù)雜,其建立與消退過(guò)程的非定常效應(yīng)與研究外形、來(lái)流條件、噴流條件、發(fā)動(dòng)機(jī)布局等密切相關(guān),不同條件下的干擾效應(yīng)差異很大,為深入了解這些條件的影響,還需要開展更為詳實(shí)的研究。
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