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        導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程同心筒內(nèi)燃?xì)饬鲌?chǎng)研究*

        2022-08-02 02:16:42
        艦船電子工程 2022年6期
        關(guān)鍵詞:發(fā)射筒時(shí)域燃?xì)?/a>

        曹 亮

        (駐鄭州地區(qū)軍事代表室 鄭州 450006)

        1 引言

        垂直發(fā)射的優(yōu)越性在于大大節(jié)省了軍艦的艦面空間,即:跟其他發(fā)射方式相比較,在甲板面積相同的情況下,垂直發(fā)射方式可裝載更多數(shù)量的導(dǎo)彈,因而垂直發(fā)射方式廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化軍艦上,比如俄羅斯的SA-N-6 垂直導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng),美國(guó)的MK-41 垂直發(fā)射系統(tǒng),英國(guó)的“海狼”垂直導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)等等。當(dāng)垂直發(fā)射導(dǎo)彈時(shí),由于受導(dǎo)彈發(fā)射空間的局限性,發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)會(huì)噴射出大量高溫、高速的燃?xì)饬?,所以能夠可靠地、順利地排?dǎo)燃?xì)鈱?duì)發(fā)射導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)非常重要,這直接影響到導(dǎo)彈發(fā)射是否成功,因此對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程燃?xì)饬鲌?chǎng)開(kāi)展研究具有重要的意義和價(jià)值[1~6]。

        本文基于有限體積法,通過(guò)求解三維雷諾平均N-S 方程,建立Realizable湍流模型,并利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)模擬導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng),對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)彈發(fā)射筒內(nèi)燃?xì)饬鲌?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到發(fā)射筒內(nèi)不同位置溫度和壓力等參數(shù)值隨時(shí)間的變化情況,并通過(guò)調(diào)整發(fā)射筒前蓋破碎條件,分析和研究了發(fā)射筒前蓋破碎對(duì)于內(nèi)燃?xì)饬鲌?chǎng)的影響[7~13]。

        2 理論基礎(chǔ)

        2.1 流場(chǎng)計(jì)算方程

        本文中燃?xì)饬鲌?chǎng)采用求解非定常、雷諾平均的N-S方程的方法進(jìn)行數(shù)值模擬,具體控制方程如下[7]。

        質(zhì)量守恒方程:

        2.2 導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方程

        2.3 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

        動(dòng)網(wǎng)格模型通常采用定義邊界或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)模擬部件的運(yùn)動(dòng),這種技術(shù)最接近真實(shí)物理場(chǎng)景。根據(jù)其運(yùn)動(dòng)定義方式的不同,動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)分為隱式和顯式運(yùn)動(dòng)。隱式運(yùn)動(dòng)可通過(guò)牛頓定律,依據(jù)部件受力情況算出其運(yùn)動(dòng)速度;而顯式運(yùn)動(dòng)直接給定運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度。

        動(dòng)網(wǎng)格模型最核心的技術(shù)在于其部件運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的處理,本文采用Layering 方法,該方法非常適用于線性運(yùn)動(dòng),其基本原理為通過(guò)設(shè)定壓縮和分裂因子,當(dāng)網(wǎng)格被壓縮或拉伸時(shí),超過(guò)閾值后網(wǎng)格即被合并或分裂。

        圖1 Layering法原理示意圖

        網(wǎng)格的分裂與合并按以下方式進(jìn)行,當(dāng)網(wǎng)格被拉伸時(shí),滿(mǎn)足下式,網(wǎng)格分裂:

        其中,h 為第j 層網(wǎng)格的高度,αs為網(wǎng)格分裂因子,hideal為理想網(wǎng)格高度,當(dāng)上式滿(mǎn)足時(shí),第j 層網(wǎng)格分裂為兩層。

        當(dāng)網(wǎng)格被壓縮時(shí),滿(mǎn)足下式,網(wǎng)格被合并:

        其中,αc為合并因子,當(dāng)上式滿(mǎn)足時(shí),第i 層和第j層被合并,如圖1。

        3 計(jì)算模型

        3.1 模型概述

        固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饬魇呛軓?fù)雜的高溫高壓高速流,其成分很復(fù)雜,氣體固體混合并且經(jīng)常伴隨著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。在計(jì)算中通常不考慮固體顆粒相,且燃?xì)獍葱再|(zhì)單一、均勻混合、無(wú)化學(xué)反應(yīng)、可壓縮氣體處理;燃?xì)饬骱屯饨绛h(huán)境之間一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);壁面熱邊界為絕熱邊界,忽略與外界環(huán)境之間的傳熱。同時(shí)不考慮導(dǎo)彈的尾翼和燃?xì)舛鎸?duì)流場(chǎng)的影響。簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型如圖1所示,噴管喉部ab 設(shè)定為壓力入口,處于臨界狀態(tài),即Ma=1,給定總壓p0、總溫T0;發(fā)射箱底部、發(fā)射箱頂端cd、ef設(shè)定為壓力出口,給定出口壓力,如圖2所示。

        計(jì)算中,參考發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),入口總溫為氣體的定壓燃燒溫度,總壓為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)。

        圖2 計(jì)算模型示意圖

        3.2 計(jì)算模型和網(wǎng)格

        燃?xì)饬鲌?chǎng)數(shù)值模擬的模型網(wǎng)格數(shù)為120 萬(wàn)個(gè),為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,如圖3 所示。在計(jì)算中,設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為0.01ms,計(jì)算時(shí)間為1.5s,本文參考某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),入口總溫為氣體的定壓燃燒溫度3000K,總壓為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)10MPa,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)算中采用擴(kuò)展邊界,讓計(jì)算區(qū)域足夠大,使其滿(mǎn)足出口壓強(qiáng)為環(huán)境壓強(qiáng),即 pout=p∞(1 個(gè)大氣壓),計(jì)算區(qū)域內(nèi)初始?jí)簭?qiáng)、溫度和速度為周?chē)h(huán)境條件(分別設(shè)定壓強(qiáng)為1013.25Pa,溫度為300K,速度為0m∕s),發(fā)射筒前蓋采用燃?xì)饷浧剖?,通過(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn),破裂壓強(qiáng)分別取值0.03MPa和0.05MPa。

        圖3 數(shù)值計(jì)算模型

        4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

        試驗(yàn)中,測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在發(fā)射筒的前部、中部和后部,發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后,燃?xì)鈮毫Σㄗ饔迷诎l(fā)射筒底部導(dǎo)流尾蓋,被導(dǎo)流尾蓋導(dǎo)向發(fā)射筒內(nèi)外筒之間的燃?xì)馀艑?dǎo)通道。燃?xì)鈮毫Σㄔ趦?nèi)外筒之間的通道向發(fā)射筒蓋運(yùn)動(dòng),作用在筒蓋上,當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值,筒蓋破裂。

        從圖4 可以看出,導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壓力最大,壓力從燃燒室進(jìn)入發(fā)射筒的過(guò)程中,壓力逐漸降低,并且內(nèi)外筒之間的通道內(nèi)的壓強(qiáng)明顯大于內(nèi)筒內(nèi)的壓強(qiáng)。

        圖4 導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中同心筒內(nèi)壓力云圖

        燃?xì)鈴陌l(fā)動(dòng)機(jī)噴出之前,首先在擴(kuò)張管里迅速加速膨脹,隨著其射流速度的增加,周?chē)目諝獠粩啾粔嚎s、疊加,從而產(chǎn)生正沖波。然后,冷空氣被迫向下運(yùn)動(dòng),直到被壓縮到導(dǎo)流板上,速度相應(yīng)降低,導(dǎo)流板上將出現(xiàn)一高壓區(qū),使一部分燃?xì)饬鞣礇_進(jìn)入發(fā)射筒內(nèi),進(jìn)而使導(dǎo)彈處于高溫狀態(tài)。隨后,燃?xì)饬鏖_(kāi)始向側(cè)面和向上運(yùn)動(dòng),逐漸形成正沖區(qū),導(dǎo)致發(fā)射筒內(nèi)壓強(qiáng)被迫升高,燃?xì)饬鞯膬蓷l斜攔截激波開(kāi)始收縮并交叉,此時(shí)正沖波消失,燃?xì)饬鞯募げńY(jié)構(gòu)開(kāi)始交替出現(xiàn)壓縮波節(jié)與膨脹波節(jié)的現(xiàn)象。

        圖5 導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中同心筒內(nèi)速度云圖

        圖5 給出了發(fā)射箱內(nèi)速度分布,從中可以看出燃?xì)饬鹘?jīng)過(guò)噴管,速度逐漸增加,但仍處于欠膨脹狀態(tài)。經(jīng)過(guò)噴管后,在第1 個(gè)波節(jié)內(nèi)沿軸線方向速度繼續(xù)增加,經(jīng)斜激波后速度下降;第2 個(gè)波節(jié)內(nèi)的參數(shù)變化趨勢(shì)與第1 個(gè)波節(jié)相同,變化幅度減小,且內(nèi)外筒之間通道內(nèi)燃?xì)獾乃俣却笥趯?dǎo)彈和內(nèi)筒壁間燃?xì)獾牧魉佟?/p>

        觀察圖6 發(fā)現(xiàn),發(fā)射筒發(fā)射導(dǎo)彈時(shí),高溫燃?xì)庠诮?jīng)過(guò)喉部后,由于速度不斷提高,溫度也隨之下降,在激波前,溫度較低,激波后溫度陡增。

        圖6 導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中同心筒內(nèi)溫度云圖

        圖7 導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中同心筒前部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)域曲線

        圖7 是導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中發(fā)射筒前部壓強(qiáng)(壓力)時(shí)域曲線,其中Model1 顯示的是前蓋在0.05MPa 壓強(qiáng)下破碎時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果,Model2 顯示的是前蓋在0.03MPa 壓強(qiáng)下破碎時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果,從圖中我們可以看出,在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后大致0.1s 的時(shí)間內(nèi),壓力曲線急劇上升,出現(xiàn)了一個(gè)明顯的峰值,隨后壓力又急劇變小,甚至一小段時(shí)間出現(xiàn)了負(fù)值,這是因?yàn)樵邳c(diǎn)火后的短時(shí)間內(nèi),發(fā)射筒前蓋完好,它是一個(gè)密閉的空間,從發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的大量高溫高壓燃?xì)饬鳎?jīng)過(guò)內(nèi)筒和外筒之間的間隙,迅速到達(dá)發(fā)射筒前蓋附近,使得前蓋附近的壓強(qiáng)急劇增大,當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到前蓋的破碎壓強(qiáng)時(shí),前蓋破碎,使得壓強(qiáng)迅速減小。在0.1s~1.1s 時(shí)間內(nèi),是筒蓋破碎和導(dǎo)彈向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,前部壓強(qiáng)基本保持恒定,變化很?。辉?.1s~1.2s時(shí)間內(nèi),壓強(qiáng)快速減小后,又迅速上升,1.2s~1.8s壓強(qiáng)急劇變大,達(dá)到峰值后,開(kāi)始相對(duì)緩慢的下降。

        如圖8 所示,與導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中發(fā)射筒前部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)域曲線相比,中部測(cè)點(diǎn)和后部測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)時(shí)域曲線在峰值段出現(xiàn)的時(shí)間有很大的差別,前部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)域曲線在大約1.4s時(shí)達(dá)到峰值,中部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)域曲線在大約1.2s時(shí)達(dá)到峰值,后部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)域曲線在大約0.9s時(shí)達(dá)到峰值,這種差別是因?yàn)閷?dǎo)彈向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨彈體先經(jīng)過(guò)發(fā)射筒后部測(cè)點(diǎn)后經(jīng)過(guò)發(fā)射筒前部測(cè)點(diǎn)。

        圖8 導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中同心筒中部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)域曲線

        如圖9 所示,通過(guò)對(duì)比前部、中部和后部時(shí)域曲線中的Model1 和Model2,我們發(fā)現(xiàn)在0~0.1s 時(shí)間段,Model1 的壓強(qiáng)峰值明顯大于Model2 的壓強(qiáng)峰值,Model1 采用的前蓋破碎條件是壓強(qiáng)達(dá)到0.05MPa,Model2 采用的前蓋破碎條件是壓強(qiáng)達(dá)到0.03MPa,因此通過(guò)調(diào)整前蓋的破碎條件,可以減小燃?xì)饬鲗?duì)發(fā)射筒的沖擊。

        圖9 導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中同心筒后部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)域曲線

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文通過(guò)采用數(shù)值模擬方法,建立模型,研究了發(fā)射筒內(nèi)不同位置溫度、壓力等參數(shù)隨時(shí)間的變化情況,對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中發(fā)射筒內(nèi)燃?xì)饬鲌?chǎng)進(jìn)行了分析研究,得到以下結(jié)論。

        1)在導(dǎo)彈正常發(fā)射過(guò)程中,發(fā)射筒內(nèi)的壓強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值,一個(gè)是出現(xiàn)在發(fā)射筒前蓋破碎前,這個(gè)峰值大約出現(xiàn)在點(diǎn)火后的0.1s內(nèi);第二個(gè)峰值出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)隨彈體向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,發(fā)射筒的后部先出現(xiàn)峰值,出現(xiàn)時(shí)間大約為0.9s,前部最晚出現(xiàn)峰值時(shí)間大約為1.4s。

        2)通過(guò)調(diào)整發(fā)射筒筒蓋的破碎壓強(qiáng),可以明顯改變發(fā)射筒內(nèi)第一個(gè)峰值的大小,從而為導(dǎo)彈發(fā)射筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)研制提供借鑒和參考。

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