王恒宇,孫中文,李 暢,肖 赟,周欣歡,張 弛,王賢勇,曹白玉

(江南工業(yè)集團有限公司,湖南湘潭 411207)

0 引言

燃氣舵是導彈的一種常用的控制部件,它通過舵片在發(fā)動機噴管口部的切入和退出,使發(fā)動機燃氣在噴管口部產生局部激波和渦流,從而引起噴管擴張段內的壓力分布的改變,產生徑向的推力分量,又稱為控制力[1-2]。

燃氣舵產生的控制力大小直接影響導彈的飛行,控制力小了,難以控制導彈的飛行,控制力大了,雖然有利于導彈的飛行控制,但是造成的推力損失也會增大,影響導彈的有效射程,所以燃氣舵的控制力大小應該穩(wěn)定在給定的指標的范圍內[3]。但是舵片切入噴管口部時,燃氣舵的尾流場十分復雜,并且影響燃氣舵控制力的因素非常多,如環(huán)境溫度、發(fā)動機火藥、噴喉尺寸、舵片的切入角度、舵片的外形等,從而造成控制力存在一定程度上的散布[4],因此掌握并控制好各個影響燃氣舵控制力大小的因素變得尤為重要。

在傳統(tǒng)的燃氣舵的研制過程中,人們?yōu)榱搜芯坑绊懭細舛婵刂屏Φ囊蛩?經過了大量的發(fā)動機地面點火試驗,風洞試驗等方法總結出了許多可靠的經驗數(shù)據(jù)[5],但是在這些經驗的摸索過程中卻付出了大量時間和試驗經費,付出的代價無疑是十分巨大的。為了減少燃氣舵研制的試驗成本,縮短研制周期,文中通過CFD的方法,運用FLUENT軟件對導彈燃氣舵尾流場進行數(shù)值模擬,研究舵片與噴管端面間的間隙、舵片切入角度和反射板高度三個重要的燃氣舵結構參數(shù)對控制力的影響。

1 數(shù)值計算方法

1.1 控制方程

控制方程采用笛卡爾坐標系下的三維N-S方程,控制方程為:

(1)

式中,Q為守恒變量矢量;E、F和G為無粘通矢量,Ev、Fv和Gv為粘性通矢量,湍流模型采用穩(wěn)定性較高、計算精度較好的RNG模型[6],并同時求解質量方程、連續(xù)性方程及能量方程。

1.2 幾何模型及網格

燃氣舵模型如圖1所示,整個模型由舵片1,舵片2,反射板1,反射板2,噴管及噴管座組成,其中舵片1處于切入狀態(tài),舵片2處于退出狀態(tài)。

圖1 燃氣舵模型示意圖

將建立好的燃氣舵模型導入ICEM中進行四面體網格劃分,并對噴管和噴管出口的流場域進行網格局部加密,劃分后的網格總數(shù)為284萬,燃氣舵尾流場網格模型如圖2所示。

圖2 燃氣舵尾流場網格模型

1.3 主要結構參數(shù)

如表1所示為燃氣舵模型結構參數(shù),其中δ為舵片與噴管端面間的間隙,α為舵片1的切入角度,H為反射板高度,文中只在單因素燃氣舵結構參數(shù)影響下對控制力進行研究,例如在δ=0.3 mm,α=10.5°時研究不同反射板高度H對控制力的影響,并且文中根據(jù)表2中的參數(shù)建立單因素影響下不同燃氣舵的尾流場模型。

表1 燃氣舵模型結構參數(shù)

表2 不同燃氣舵模型的結構參數(shù)

2 計算結果分析

將在ICEM中劃分完的燃氣舵尾流場網格導入FLUENT中進行求解計算,設置為穩(wěn)態(tài)求解,選擇適用于可壓縮氣體流動的密度基求解器,選用理想氣體ideal-gas,粘性參數(shù)由三系數(shù)Sutherland公式確定,噴管進口采用壓力進口(pressure-inlet)邊界條件,壓力值為5.47×106Pa,溫度為2 300 K,尾流場出口采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件,壓力值為101 325 Pa,回流溫度為300 K。

圖3 燃氣舵尾流場截面壓力分布云圖

先對δ=0.3 mm,α=10.5°,H=7.5 mm燃氣舵模型的尾流場進行分析,如圖3所示為燃氣舵尾流場截面壓力分布云圖,從圖中可知,燃氣經過噴管的收縮段至擴張段,壓力逐漸減小,擴張段尾部燃氣受到舵片1的“阻滯”,導致舵片下方形成局部高壓區(qū)域,使擴張段噴管壁面周向壓力分布不均,燃氣在發(fā)動機噴管壁面產生徑向的推力分量,從而形成控制力。

圖4 燃氣舵尾流場截面局部速度矢量圖

圖4為燃氣舵尾流場截面局部速度矢量圖,從圖4中可知,舵片1下方產生了渦流,并且由于舵片與噴管端面間隙的存在,燃氣從間隙向外側“泄露”,舵片1切入側的燃氣“泄露”后,燃氣在間隙出口速度急劇增加,并作用在反射板1上,沿著反射板1的內弧面流向主燃氣流區(qū),在反射板1的內弧面與舵片1的外弧面之間形成的出口空間位置產生渦流;由于舵片2處于退出狀態(tài),反射板2與舵片2之間的間隙較小,所以燃氣在舵片2下方的間隙處“泄露”較少,從舵片2退出側“泄露”的燃氣順著反射板2的內弧面又回到主燃氣流區(qū)。

2.1 舵片與噴管之間的間隙對控制力的影響

文中在α=10.5°、H=7.5 mm的情況下研究舵片與噴管之間的間隙對控制力的影響,圖5所示為舵片與噴管之間的間隙δ=0.15 mm、0.35 mm、0.50 mm時燃氣舵尾流場截面速度分布云圖,可以看出,隨著δ的增加,從間隙處“泄露”的燃氣增多,切入舵片對下方燃氣的“阻滯”作用減小。

圖5 δ=0.15 mm、0.35 mm、0.5 mm時燃氣舵尾流場截面速度分布云圖

燃氣舵產生的控制力是燃氣作用在發(fā)動機尾噴管壁面和燃氣舵各部件上的徑向力產生的合力效果,其中燃氣作用在發(fā)動機尾噴管壁面上的徑向力起到了主要作用,但是燃氣在各部件上產生的徑向力也是十分重要的。圖6為δ在0.15～0.50 mm之間變化時,燃氣作用在發(fā)動機尾噴管壁和各部件的徑向力變化曲線,可以看出隨著δ的增加,燃氣舵產生的控制力呈線性減小,當δ小于0.3 mm時,燃氣舵各部件產生的徑向力對控制力產生的是減益效果,當δ大于0.3 mm時,燃氣舵各部件產生的徑向力對控制力產生的是增益效果,反射板1在一定程度上起到了“回收”燃氣的作用,讓“泄露”的燃氣能夠作用在反射板上,使控制力增加。

圖6 燃氣在噴管壁和各部件徑向力變化曲線

2.2 切入角度α對控制力的影響

文中在δ=0.3 mm、H=7.5 mm的情況下研究切入角度α對控制力的影響,如圖7所示為α=4.5°、9°、13.5°時燃氣舵尾流場截面速度分布云圖,可以看出,從α=4.5°至α=9°時,隨著舵片切入角度的增加,舵片1對燃氣的“阻滯”作用增大,舵片下方的激波面下移,增大了噴管壁面的壓力分布不均勻度,主燃氣流沿著舵片2上表面逐漸向右側偏轉;當舵片切入至13.5°時,舵片外側過度圓弧處移動至噴管出口附近,導致舵片與噴管之間的間隙急劇增大,燃氣在該處的“泄露”大量增加,并且由于此時反射板1的內弧面與舵片1的外弧面之間形成的空間位置較大,使部分“泄露”的燃氣未直接作用在反射板1上,同時主燃氣流的偏轉角度減小。

圖7 α=4.5°、9°、13.5°時燃氣舵尾流場截面速度分布云圖

圖8 燃氣在噴管壁和各部件徑向力變化曲線

圖8為α在1.5°～13.5°之間變化時,燃氣作用在發(fā)動機尾噴管壁和各部件的徑向力變化曲線,可以看出,隨著舵片切入角度的增加,控制力先增大后減小,在切入角度α=10.5°時控制力達到最大;從總體上看,在切入角度小于10.5°時,燃氣舵各部件產生總的徑向力是使控制力增加的,當切入角度大于10.5°時,燃氣舵各部件產生總的徑向力是使控制力減小的,舵片1和反射板1產生了使控制力增加的徑向力,舵片2和反射板2產生了使控制力減小的徑向力。

圖9 H=9 mm時燃氣舵尾流場截面局部速度矢量圖

2.3 反射板高度H對控制力的影響

文中在δ=0.3 mm,α=10.5°的情況下研究反射板高度H對控制力的影響,如圖10所示為H=4.5 mm、7 mm、9 mm時燃氣舵尾流場截面速度分布云圖,可以看出,當H=4.5 mm時,由于反射板1偏低,從間隙泄露的燃氣流沿著反射板的內弧面向外側流動,直接作用在反射板1上的燃氣較少;當H=9 mm時,從間隙泄露的燃氣流大部分都作用在反射板1上,并且從反射板內弧面與舵片1外弧面之間出來的燃氣大部分都回到了主燃氣流區(qū),但是由于反射板上表面水平高度要高于舵片,當高速燃氣沿舵片2向外擴張時,高出舵片的反射板2使燃氣流向上偏移,并且部分燃氣在該處“逆流”,沖刷反射板2內弧面與舵片2外弧面之間的間隙,其局部速度矢量圖如圖9所示。圖11為H=4.5 mm、7 mm、9 mm時,燃氣在發(fā)動機尾噴管壁和各部件的徑向力變化曲線,可以看出,燃氣舵控制力隨著反射板高度的增加而增加,當H=8 mm時,控制力達到最大60.7 N;隨著反射板高度的增加,燃氣在發(fā)動機噴管壁上的徑向力基本上保持不變,燃氣在舵片1和反射板1上產生的作用力使控制力增加,在舵片2和反射板2上產生的作用力使控制力減小,并且當H大于8 mm時,由于燃氣沖刷高出舵片2的反射板,導致反射板2產生的負徑向力會急劇增加,控制力急劇減小。

圖10 H=4.5 mm、7 mm、9 mm時燃氣舵尾流場截面速度分布云圖

圖11 燃氣在噴管壁和各部件徑向力變化曲線

3 結論

為了研究燃氣舵控制力的影響因素,對不同燃氣舵結構參數(shù)下的尾流場進行了數(shù)值模擬,得出的結論如下:

1)控制力是燃氣作用在噴管壁面上與各部件的徑向力產生的合力效果,燃氣作用在噴管壁面上的徑向力是控制力產生的主要部分,燃氣作用在各部件的徑向力是影響控制力的重要因素。

2)隨著舵片與噴管之間的間隙增加,燃氣舵產生的控制力減小;剛開始隨著舵片切入角度的增加,燃氣在噴管壁面的壓力分布越不均勻,產生的控制力越大,但當舵片的切入角度大于10.5°時,從舵片下方向外“泄露”的燃氣急劇增加,舵機產生的控制力開始減小;剛開始隨著反射板高度的增加,產生的控制力越大,但當反射板高度大于8 mm時,由于燃氣在高出舵片的反射板2上沿產生局部“逆流”,反射板2產生的負徑向力急劇增加,燃氣舵產生的控制力急劇減小。