楊志宏，劉俊州

(1.海軍裝備部軍械裝備局，北京 100841；2.鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置具有通用性好、全方位發(fā)射等諸多優(yōu)點(diǎn)，燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)是導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置的重要組成部分，其作用是將導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的高溫高速燃?xì)饬靼踩煽康嘏诺脚炌б酝獾拇髿庵?，保證發(fā)射裝置和導(dǎo)彈的安全，燃?xì)馀艑?dǎo)效率是衡量燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

本文采用Fluent軟件從N-S方程出發(fā)，對(duì)某型發(fā)射裝置的燃?xì)馀艑?dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了燃?xì)馀艑?dǎo)通道在不同收縮段高度H、不同轉(zhuǎn)彎半徑R、不同排氣直管直徑Φ下的排導(dǎo)效率以及流場(chǎng)參數(shù)分布，為排導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

本文研究的燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)由收縮段、排氣彎管和排氣直管組成，如圖1所示。箱彈坐落在收縮段上部，導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)收縮段流入排氣彎管，偏轉(zhuǎn)180°后向上經(jīng)排氣直管排入大氣。分別計(jì)算H為250 mm，300 mm，R為400 mm，415 mm以及Φ為230 mm，280 mm時(shí)的燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)的排導(dǎo)效率以及排氣道、發(fā)射箱內(nèi)的流場(chǎng)分布。圖中P1～P4點(diǎn)為溫度壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.2 控制方程

導(dǎo)彈點(diǎn)火時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)噴出高溫、高速氣固兩相燃?xì)饬鳌榱撕?jiǎn)化計(jì)算，不考慮燃?xì)庵泄腆w顆粒的影響。三維Navier-Stokes方程組如下：

質(zhì)量守恒方程為

動(dòng)量守恒方程為

能量守恒方程為

式中：分別為燃?xì)饬髅芏?、速度矢量、壓力和總能?/p>

本文選擇在流場(chǎng)計(jì)算中廣泛應(yīng)用的Realizablekε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

2 邊界條件

2.1 入口邊界條件

入口總溫為氣體的定壓燃燒溫度，總壓為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)。入口邊界設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管收縮段。

2.2 出口邊界條件

在流場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中，理論上取無(wú)窮遠(yuǎn)處大氣環(huán)境狀態(tài)作為燃?xì)饬鞒隹跔顟B(tài)。在計(jì)算中都采用擴(kuò)展邊界，使計(jì)算區(qū)域足夠大，從而滿(mǎn)足出口壓強(qiáng)為環(huán)境壓強(qiáng)。

所有出口均采用壓力出口邊界條件，即（1個(gè)大氣壓）。

2.3 壁面邊界條件

除入口、出口邊界條件外，其他所有區(qū)域的邊界條件均為壁面邊界條件。流體與固體相互作用的邊界滿(mǎn)足經(jīng)典邊界層函數(shù)。其中，壁面熱邊界條件采用絕熱條件。

2.4 初始條件

計(jì)算區(qū)域內(nèi)初始?jí)簭?qiáng)、初始溫度和初始速度為周?chē)h(huán)境條件（1個(gè)大氣壓，溫度為300 K，速度為0 m/s）。

3 計(jì)算方案與計(jì)算區(qū)域

3.1 計(jì)算方案

本文針對(duì)不同收縮段高度H、不同轉(zhuǎn)彎半徑R、不同排氣直管直徑Φ下的排導(dǎo)效率分別進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算區(qū)域

針對(duì)不同方案，對(duì)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在不同區(qū)域劃分不同的網(wǎng)格密度，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3.3 燃?xì)馀艑?dǎo)有效性分析

在導(dǎo)彈點(diǎn)火發(fā)射過(guò)程中，燃?xì)饬鹘?jīng)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)后分為2部分排出。一部分從排氣道排出；另一部分返入發(fā)射箱，從發(fā)射箱口排出。其中，返流進(jìn)入發(fā)射箱的燃?xì)饬鲿?huì)對(duì)導(dǎo)彈產(chǎn)生燒蝕的作用，威脅導(dǎo)彈的安全。如果燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)中的燃?xì)饬魅繌呐艢獾琅懦?，進(jìn)入發(fā)射箱的燃?xì)饬鞣盗鳛?，這樣導(dǎo)彈不會(huì)受燃?xì)饬鳠g影響。因此，可根據(jù)從燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)中排出的燃?xì)饬髁空寂懦黾装迕娴娜細(xì)饪偭髁康谋嚷首鳛槿細(xì)馀艑?dǎo)有效性的判斷方法。即

如果從發(fā)射箱無(wú)燃?xì)馀懦?，或者有空氣從發(fā)射箱吸入的情況，說(shuō)明所有的燃?xì)饩鶑呐艢獾琅懦龅郊装迕嬉陨?，則燃?xì)馀艑?dǎo)效率為100%。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 燃?xì)馀艑?dǎo)效率

各種方案下排導(dǎo)效率見(jiàn)表1，圖3為方案2的排導(dǎo)效率曲線。

4.2 結(jié)果分析

從表1可以看出，方案2、方案4和方案8的燃?xì)馀艑?dǎo)效率均大于90%，其中方案2和方案4的排導(dǎo)效率更是達(dá)到100%，表明有氣流從發(fā)射箱出口吸入，方案2從發(fā)射箱出口吸入的空氣多于方案4。

H與R相同（方案1與方案2、方案3與方案4、方案5與方案6、方案7與方案8）時(shí)，Φ值由230 mm增加到280 mm時(shí)，排導(dǎo)效率增加較多，說(shuō)明排氣直管直徑對(duì)排氣效率影響較大。

表1 不同方案的排導(dǎo)效率Tab.1 Exhaust efficiency of defferent schemes

R與Φ相同（方案1與方案5、方案3與方案7）時(shí)，H值由250 mm增加到300 mm時(shí)，排導(dǎo)效率變化不明顯。方案2與方案6、方案4與方案8相比，H值增加排導(dǎo)效率有所下降。

H與Φ相同（方案1與方案3、方案2與方案4、方案5與方案7、方案6與方案8）時(shí)，R值由400 mm增加到415 mm時(shí)，排導(dǎo)效率有增有減。

以方案2為例，燃?xì)饬髟谂艑?dǎo)通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)如圖4所示，P1～P4點(diǎn)溫度變化如圖5所示。

從圖5可以看出，160 ms時(shí)發(fā)射箱出口基本無(wú)燃?xì)饬鞒?，圖5P4點(diǎn)是發(fā)射箱出口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，溫度最高537 K，進(jìn)一步說(shuō)明有冷空氣從發(fā)射箱出口吸入，所有燃?xì)饩鶑呐艢獾莱隹谂湃氪髿狻?/p>

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)各種方案下流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算可得出如下結(jié)論：

1）排氣直管直徑對(duì)排導(dǎo)效率影響最大，直徑越大，越有利于燃?xì)馀艑?dǎo)。

2）收縮段高度和排氣彎管半徑對(duì)排導(dǎo)效率影響較小，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸確定。

通過(guò)采用Fluent軟件對(duì)某型發(fā)射裝置燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同結(jié)構(gòu)下的排導(dǎo)效率，可以得到一些在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法測(cè)量到的參數(shù)，為燃?xì)馀艑?dǎo)方案的確定提供理論依據(jù)，也為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需的人力、物力和時(shí)間。

[1]趙賢超.意外點(diǎn)火時(shí)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)流場(chǎng)仿真分析[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2012, 26(4): 59–60.

[2]何朝勛, 戴宗妙.同心筒發(fā)射裝置燃?xì)馀艑?dǎo)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2007, 29(1): 71–75.

[3]苗佩云, 袁曾鳳.筒內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)三維數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2004, 24(1): 71–72.

[4]蘇銘德, 黃素逸.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 1997.