王學(xué)智,劉少偉,杜振宇

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

垂直冷彈發(fā)射裝置裝藥燃燒數(shù)值分析

王學(xué)智,劉少偉,杜振宇

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

針對(duì)燃?xì)饣钊麖椛溲b置，采用加質(zhì)源項(xiàng)法，通過(guò)UDF(用戶自定義函數(shù))編譯，向高壓室注入火藥燃?xì)獾馁|(zhì)量、動(dòng)量、能量，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜燃燒化學(xué)反應(yīng)的數(shù)值模擬，得到了高壓室壓力和速度分布及變化規(guī)律，分析了壓力和速度對(duì)彈射裝置的影響;計(jì)算結(jié)果表明，裝藥燃燒數(shù)值模擬與理論計(jì)算基本吻合，能夠較好地仿真彈射裝置高壓室燃?xì)饬鲌?chǎng)的特性，為彈射裝置進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝藥設(shè)計(jì)提供理論參考。

垂直彈射裝置； 裝藥燃燒； 燃?xì)饬鲌?chǎng)； 數(shù)值分析

0 引言

與自力發(fā)射相比，垂直彈射具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)射時(shí)間短，能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，因此，垂直彈射技術(shù)已在防空武器系統(tǒng)中成功應(yīng)用，并具有強(qiáng)大的潛力。但是，裝藥點(diǎn)火是彈射過(guò)程的第一步，彈射器中裝藥能否正常燃燒并產(chǎn)生足夠的燃?xì)馐潜ＷC導(dǎo)彈是否有足夠離筒速度的前提，同時(shí)高溫高壓燃?xì)鈺?huì)對(duì)發(fā)射裝置造成巨大沖擊。因此研究裝藥燃燒規(guī)律、燃?xì)饬鲃?dòng)規(guī)律、彈射器內(nèi)部壓力變化規(guī)律等是十分重要的。

目前采用數(shù)值分析的方法對(duì)火箭導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程的研究得到了重視與應(yīng)用[4]。這種方法有效解決了試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。本文運(yùn)用FLUENT軟件，采用非定常計(jì)算方法，通過(guò)UDF(用戶自定義函數(shù))編譯，對(duì)彈射器高壓室內(nèi)裝藥燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了高壓室內(nèi)裝藥燃燒過(guò)程中的壓力分布和燃?xì)馑俣确植?。采用?shù)值研究方法，對(duì)彈射裝置裝藥燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，為彈射裝置下一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和裝藥的設(shè)計(jì)選擇以及試驗(yàn)提供了參考。

1 彈射裝置仿真模型

1.1 彈射器數(shù)學(xué)模型

本文研究的是燃?xì)饣钊麖椛溲b置，該裝置主要由燃?xì)獍l(fā)生器、低壓室、活塞、活塞桿、緩沖器和后梁等部件組成，針對(duì)本文的研究對(duì)象，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，建立高壓室二維裝藥加質(zhì)燃燒模型，如圖1所示。

圖1 彈射器燃燒室模型示意圖

對(duì)模型給出基本假設(shè)如下：

1)在計(jì)算中不考慮點(diǎn)火過(guò)程，將點(diǎn)火裝置所產(chǎn)生的高溫高壓作為裝藥燃燒的初始條件。

2)裝藥的燃燒服從幾何燃燒定律，即裝藥是按照平行層或同心層的規(guī)律逐層進(jìn)行燃燒這樣的理想情況進(jìn)行的。

3)將裝藥表面的一層區(qū)域作為燃?xì)庠错?xiàng)加質(zhì)區(qū)域，燃燒過(guò)程在這一層區(qū)域完成。

4)在裝藥燃燒過(guò)程中不考慮侵蝕效應(yīng)。

5)燃?xì)獾牧鲃?dòng)過(guò)程是絕熱的，與外界沒(méi)有熱交換。

1.2 網(wǎng)格劃分

彈射器高壓室的實(shí)際模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于仿真計(jì)算分析。為了便于仿真計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，去掉一部分不必要的結(jié)構(gòu)，如前蓋、擋藥板等。利用Gambit后處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，高壓室的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示，選用四邊形的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為20200個(gè)單元。

圖2 高壓室模型網(wǎng)格

3 加質(zhì)源項(xiàng)法應(yīng)用

針對(duì)裝藥燃燒特點(diǎn)，采用FLUENT軟件的源項(xiàng)加質(zhì)法[5-7]，通過(guò)用戶自定義函數(shù)(UDF)的編譯實(shí)現(xiàn)高溫燃?xì)獾馁|(zhì)量、動(dòng)量和能量向燃燒室的注入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝藥燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真。

3.1 加質(zhì)源項(xiàng)法理論模型

裝藥與燃?xì)庵g的熱量傳遞是裝藥燃燒過(guò)程中的最基本的物理現(xiàn)象，裝藥燃燒生成的高溫燃燒產(chǎn)物覆蓋在裝藥表面，通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的形式把熱量傳給裝藥內(nèi)部。裝藥內(nèi)部的溫度在這個(gè)過(guò)程中會(huì)逐漸地升高，直至其內(nèi)部一層的溫度達(dá)到臨界著火點(diǎn)并開始燃燒加質(zhì)，這樣燃面上各點(diǎn)由表面向內(nèi)部一層一層地推進(jìn)，這個(gè)過(guò)程就是裝藥的加質(zhì)燃燒過(guò)程，如圖3所示。

圖3 裝藥加質(zhì)燃燒機(jī)理示意圖

裝藥燃燒生成高溫燃?xì)獠⑨尫拍芰?，引起燃?xì)饬鲌?chǎng)的質(zhì)量變化和能量變化。本文在研究裝藥表面的加質(zhì)燃燒時(shí)，將燃?xì)饧淤|(zhì)的過(guò)程等效為垂直加質(zhì)來(lái)進(jìn)行分析，選取貼近裝藥燃燒表面的一層區(qū)域作為燃?xì)庠错?xiàng)的添加區(qū)域，如圖4所示。

圖4 裝藥源項(xiàng)加質(zhì)區(qū)域

2.2 加質(zhì)源項(xiàng)法數(shù)學(xué)模型

本文采用固相點(diǎn)火準(zhǔn)則，當(dāng)裝藥表面溫度達(dá)到臨界溫度時(shí)即被點(diǎn)燃。點(diǎn)燃后，裝藥燃?xì)庖砸欢ǔ跏妓俣群蜏囟茸⑷氲礁邏菏覂?nèi)。

裝藥能量方程：

(1)

燃速方程[8]：

(2)

(3)

(4)

(5)

3 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述的模型及條件，運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬求解，通過(guò)初始條件和邊界條件的定義，采用Ros-FDS算法進(jìn)行數(shù)值模擬，控制方程主要有非定常守恒N-S方程、RNGκ-ε湍流方程。得到下面計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)的結(jié)論。

3.1 初始條件和邊界條件定義

初始條件：忽略點(diǎn)火過(guò)程，直接對(duì)高壓室進(jìn)行初始化，使火藥柱達(dá)到全面燃燒的條件，即高壓室的初始條件為壓強(qiáng)4.53MPa，溫度為3100K；邊界條件：整個(gè)外部區(qū)域設(shè)置為絕熱壁面；火藥設(shè)置為固體區(qū)域；加質(zhì)層設(shè)置為內(nèi)部區(qū)域；計(jì)算時(shí)間：步長(zhǎng)為1e-6s，總計(jì)算時(shí)間為1.5ms。

3.2 仿真結(jié)果及分析

由于高壓室具有嚴(yán)格的軸對(duì)稱性，在對(duì)高壓室進(jìn)行研究時(shí)分析其中的一部分就能說(shuō)明問(wèn)題。圖5、6分別為在點(diǎn)火剛開始時(shí)高壓室內(nèi)部的壓力分布云圖和速度矢量分布圖，從圖5中可以看出在裝藥表面壓力明顯升高，圖6有氣體從裝藥表面析出并垂直于裝藥表面，這說(shuō)明能量成功在裝藥表面的加質(zhì)層上注入，裝藥開始加質(zhì)燃燒。

圖5 1e-6s時(shí)高壓室壓力分布云圖

圖6 1e-6s時(shí)高壓室速度(m/s)矢量分布圖

圖7為1.5ms時(shí)高壓室壓力分布云圖，從圖中可以看出高壓室內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布存在明顯的層狀結(jié)構(gòu)?；鹚幹谌紵^(guò)程中產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓細(xì)庀騼蛇叡诿孢\(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)壁面后將向上下兩端運(yùn)動(dòng)，形成高壓室兩端壓力集中現(xiàn)象。

圖7 1.5e-3s時(shí)高壓室壓力分布云圖

圖8為1.5ms時(shí)高壓室部分速度矢量分布圖，從圖4可以看出火藥柱表面產(chǎn)生大量氣體，燃?xì)庖暂^高的速度向兩邊壁面運(yùn)動(dòng)，撞擊到兩側(cè)壁面后向上下兩方面折轉(zhuǎn)，當(dāng)撞擊到上下兩個(gè)壁面時(shí)又發(fā)生折轉(zhuǎn)，于是在火藥柱頂端附近形成旋渦結(jié)構(gòu)。這就是造成高壓室上下兩端壓強(qiáng)較高的原因。

圖8 1.5e-3s時(shí)高壓室速度(m/s)矢量分布圖

圖9為1.5ms時(shí)高壓室壁面與火藥表面壓力分布曲線，反映了高壓室內(nèi)縱向壓力變化情況，壓力呈現(xiàn)中間低兩邊高現(xiàn)象，這與燃?xì)饬鲃?dòng)所造成的后果相吻合。高壓室壁面與裝藥壁面的分布呈一致性，而裝藥壓力要略大于高壓室壁面。

圖9 1.5e-3s時(shí)高壓室壁面與火藥表面壓力分布圖

圖10為高壓室壓力隨時(shí)間變化曲線，仿真結(jié)果表明，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好，說(shuō)明計(jì)算模型可信，可較為準(zhǔn)確地仿真垂直彈射導(dǎo)彈高壓室中裝藥燃燒過(guò)程。從圖10可看出，僅1.5ms時(shí)間高壓室的壓力從4.5MP上升為6.9MP,燃燒室迅速建立起高壓，為彈射做準(zhǔn)備。

圖10 高壓室壓力隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)彈射初始過(guò)程的數(shù)值仿真，得到了破膜前后彈射裝置燃?xì)饬鲌?chǎng)分布及變化規(guī)律，同時(shí)為下一步導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真奠定基礎(chǔ)，得出以下結(jié)論：

1)本文在模擬藥柱的燃燒時(shí)，利用FLUENT計(jì)算軟件的源項(xiàng)法，通過(guò)用戶自定義函數(shù)的編譯，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜燃燒化學(xué)反的數(shù)值模擬，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果較為接近，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)示彈射過(guò)程；

2)針對(duì)彈射裝置具體模型，通過(guò)建立合理的的網(wǎng)格，運(yùn)用FLUENT軟件計(jì)算，得到了燃燒過(guò)程高壓室的壓力分布云圖和速度矢量圖，準(zhǔn)確地描述了彈射裝置所處的狀態(tài)，提高了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性；

3)通過(guò)對(duì)高壓室內(nèi)流場(chǎng)特性的分析, 得出了高壓室上下兩端壓力高的規(guī)律，該方法能夠?yàn)閺椛溲b置下一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

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NumericalSimulationAboutImpactofInclinedLaunchingMissileJetFlowonFrontCoversofLaunchCanisters

WangXuezhi,LiuShaowei,DuZhenyu

(SchoolofAirandMissileDefense,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710051,China)

Based on a vertical ejecting device, the source item method and user defined function(UDF)technique were used to inject mass, momentum energy of and propellant gas into chamber, get the jet flow field distribution on the surface of the propellant, the influence result from pressure and velocity is analyzed. The computation results show that this method can well predict ejection mechanism characteristics of inner flow field, and provide theory reference for the optimal design of the ejecting device and chamber.

vertical ejection device;propellant combustion; gas flow field; numerical analysis

2016-09-20；

2016-11-09。

王學(xué)智(1965-)，男，遼寧沈陽(yáng)人,博士,教授，主要從事兵器發(fā)射理論與技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)04-0100-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TJ

A