流場分析在彈射座椅研制中的應(yīng)用

樊虎 練兵 王子田 胡勇 鐘華

摘 要:本文利用Fluent軟件對彈射座椅火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)流場和噴管羽流rocket efflux,以及座椅彈射二維空間流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對在座椅研制過程中開展整個座椅彈射空間流場分析的重要性進(jìn)行了論述。對于座椅彈射火箭內(nèi)彈道和結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及雙座彈射過程中噴管羽流的危害評估都具有一定的指導(dǎo)作用,對加強(qiáng)彈射座椅的安全防護(hù)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)也有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞:彈射座椅彈射火箭流場分析

中圖分類號:E92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(a)-0001-02

流場分析就是對所研究的流動區(qū)域進(jìn)行數(shù)值分析,從而確定所研究區(qū)域內(nèi)相關(guān)流動參數(shù)的基本規(guī)律。隨著計算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展和應(yīng)用,數(shù)值計算方法得到了迅猛發(fā)展,數(shù)值分析方法已成為一種非常重要的研究手段。而計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法與流體力學(xué)技術(shù)的高度結(jié)合,就形成了利用計算機(jī)和數(shù)值分析方法來求解滿足定解條件的流體動力學(xué)方程,以獲得流動規(guī)律和解決流動問題的專門學(xué)問,即計算流體動力學(xué)(簡稱CFD)。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,計算流體力學(xué)在航空、航天、氣象、海洋、輸油、建筑和汽車設(shè)計等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,并發(fā)揮了巨大的作用。在產(chǎn)品研制過程中開展流場分析,對流動過程進(jìn)行數(shù)值分析和模擬,不僅可以為產(chǎn)品設(shè)計人員提供設(shè)計依據(jù)和指導(dǎo),對產(chǎn)品故障和事故進(jìn)行失效模式分析,而且還可以對產(chǎn)品試驗進(jìn)行動態(tài)模擬和仿真,從而節(jié)約大量的試驗費(fèi)用。正因為流場分析的這些重要作用,一些與流動相關(guān)的民用行業(yè),如空調(diào)、污水處理以及環(huán)保等也相繼投入大量的人力和物力來開展此項工作。作為飛行員應(yīng)急逃生的工具,彈射座椅不僅有作為動力裝置的火箭發(fā)動機(jī),而且座椅與人在彈射過程中與空氣發(fā)生劇烈的相互作用,因而在座椅研制過程中,對火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)、外流場以及座椅彈射過程中的空間流場都應(yīng)該進(jìn)行細(xì)致、全面的分析。

1 流場分析的內(nèi)容和手段

簡單說來,流場分析主要包括三個方面的內(nèi)容:建模,求解和后處理。建模主要包括繪制物理模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)定邊界條件等,物理模型的繪制可以使用一些常用的二維或三維設(shè)計軟件,如CAD、Solidworks或UG、PROE等。網(wǎng)格劃分[3]就是將所求解的區(qū)域離散成適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)或微元體積的集合,劃分的網(wǎng)格主要有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格三類,劃分網(wǎng)格有很多方法,可以自己編程,也可以使用一些專門的網(wǎng)格生成軟件,如Gambit,icemcfd和gridgen等。設(shè)定邊界條件就是給定求解相關(guān)流動偏微分方程所需的定解條件,也就是設(shè)定流動變量和熱變量在邊界處的值,無非是壓力、速度和質(zhì)量、溫度等,這些值一般在CFD軟件或程序中進(jìn)行定義。

求解即是在所給定的邊界條件下,對所依據(jù)的相關(guān)流動偏微分方程按一定的格式離散成差分方程,然后在劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行逐步迭代,直至最終收斂至方程的數(shù)值解。因此建立合適的差分方程是求解流動方程的關(guān)鍵,離散的差分方程必須準(zhǔn)確代表了流動微分方程,差分方法所求得的解才能趨近微分方程的精確解。這部分工作可以利用專用流體分析軟件來完成,也可以自己編制特定的程序來解決。

后處理就是對求解所得到的相關(guān)計算數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍和可視化處理。選擇那些和計算要求相關(guān)的、能說明問題的數(shù)據(jù),進(jìn)行圖像生成,如等值線、矢量圖、數(shù)值曲線和流動動態(tài)模擬圖等。這部分工作就是使求解的計算結(jié)果人人都能看懂,并清楚各項流動參數(shù)在研究區(qū)域的變化趨勢。后處理用一些專用圖像生成小軟件來完成比較方便,如fieldview,tecplot等。

2 流場分析的應(yīng)用

在座椅研制過程中,主要應(yīng)在以下三個方面來開展流場分析工作:火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)流場、噴管羽流場和整個座椅彈射空間流場。

2.1 發(fā)動機(jī)內(nèi)流場分析

開展發(fā)動機(jī)內(nèi)流場分析工作,可以幫助我們進(jìn)一步了解火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)部各流動參數(shù)在時間和空間上的變化情況,使我們對發(fā)動機(jī)的工作過程有一個更微觀、清晰的了解,從而避免一些不合理的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和內(nèi)彈道設(shè)計。內(nèi)流場分析包括發(fā)動機(jī)燃燒室、通道體和噴管內(nèi)的流動分析,我們既可以研究定常情況下絕熱完全氣體的層流流動,也可以研究非定常情況下兩相加質(zhì)紊流的流動。圖1是利用Fluent流體分析軟件對某型發(fā)動機(jī)通道體和噴管部分改進(jìn)前和改進(jìn)后所做的粒子軌跡分析。左圖是改進(jìn)前的通道體和噴管,通道體有一突然收縮結(jié)構(gòu),近似于長尾管形式;右圖改進(jìn)后的通道體直徑基本沒有變化。

從圖1左圖我們看到,氣流從燃燒室過來后突然被壓縮,在貼近長尾管內(nèi)壁處形成了渦流區(qū),燃?xì)馔饷娣e近一步減小,燃?xì)庠谕ㄟ^渦流阻力區(qū)時,燃?xì)庵髁鲄^(qū)和渦流區(qū)以及渦流區(qū)與壁面之間強(qiáng)烈的質(zhì)量交換和摩擦作用,必然會造成氣流機(jī)械能的損失,當(dāng)這種摩擦效應(yīng)達(dá)到一定程度時,就會導(dǎo)致摩擦壅塞。摩擦壅塞的結(jié)果是長尾管能夠通過的燃?xì)饬髁繙p小,前部燃燒室的燃?xì)獍l(fā)生質(zhì)量堆積,進(jìn)而造成燃燒室壓力的迅速增高,當(dāng)發(fā)動機(jī)殼體強(qiáng)度不夠時,就會發(fā)生爆炸。右圖是取消了長尾管的通道體和噴管的流動情況,氣流沒有發(fā)生分離,通道體的長度也被大大縮短,進(jìn)一步減小了摩擦損失。實踐證明,前一種方案是不可取的,改進(jìn)是完全有效的。

2.2 噴管羽流場分析

噴管羽流分析就是研究發(fā)動機(jī)噴出的高溫、高速氣流的各項流動參數(shù)在噴管尾部出口空間的變化規(guī)律,尤其是羽流影響范圍、軸線壓力分布、馬赫數(shù)分布和溫度分布等。火箭發(fā)動機(jī)噴管羽流場結(jié)構(gòu)隨著飛行參數(shù)和發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道的不同而有較大的差別,膨脹完全與否和不同的飛行馬赫數(shù),會使噴管羽流的范圍和形狀相差甚遠(yuǎn)。對于機(jī)載導(dǎo)彈,其發(fā)射時噴管羽流的影響可能傳至飛機(jī)進(jìn)氣道,使飛機(jī)發(fā)動機(jī)發(fā)生喘振,嚴(yán)重的會造成飛機(jī)發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定進(jìn)而導(dǎo)致空中停車。對于按指令先后彈射的雙座座椅,由于彈射時間一前一后,因而不可避免地會發(fā)生先彈座椅發(fā)動機(jī)噴射羽流對后彈飛行員的燒蝕和沖刷作用,至于影響程度如何,利用試驗手段是很難確定的,而流場分析就能得出一些理論上的分析結(jié)論。圖2是某型發(fā)動機(jī)噴管羽流場氣流馬赫數(shù)等值線圖和噴管軸線溫度分布曲線。

從圖2左圖中我們可以看到在噴管出口附近出現(xiàn)了清晰的馬赫盤和滑移線,噴管羽流范圍在遠(yuǎn)場邊界處近似為直線。從右圖我們發(fā)現(xiàn)噴管軸心溫度在出口不遠(yuǎn)處出現(xiàn)振蕩,這主要是由于膨脹波和壓縮波相互作用的結(jié)果,遠(yuǎn)離噴管出口區(qū)域軸心溫度基本呈下降趨勢,從曲線上我們可以得到不同軸線位置大概的溫度范圍。按照相同的方法,我們也可以對噴管軸心靜壓的變化情況進(jìn)行詳細(xì)分析,從而確定不同位置的壓力值。

2.3 座椅彈射空間流場分析

研究座椅彈射空間的流場特性,能幫助我們進(jìn)一步了解座椅和飛行員在彈射過程中,那些部位受到的壓力沖擊最大,那些部位的氣流吹襲最強(qiáng)烈,分別達(dá)到什么程度,對人體可能造成什么傷害,應(yīng)該如何改進(jìn)和防護(hù)等,就如研究軍用飛機(jī)飛行空間流場特性一樣。圖3是某型教練機(jī)飛行空間流場分析圖,左為壓力分布圖,右為馬赫數(shù)分布圖。

從圖中我們可以清晰地看出,飛機(jī)坐艙區(qū)受壓最嚴(yán)重,雙翼區(qū)受到的氣流吹襲最為厲害,因此應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)飛機(jī)座艙蓋和雙翼的強(qiáng)度。我們可以按照上述運(yùn)動飛機(jī)流場的分析過程,對座椅的空中彈射流場情況進(jìn)行一個全面的分析,這樣可以幫助我們從理論上獲得一些關(guān)于座椅防護(hù)和改進(jìn)的依據(jù)。座椅空間流場分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于彈射座椅和假人三維模型的構(gòu)建以及網(wǎng)格的劃分。

3 結(jié)語

通過以上的分析,我們發(fā)現(xiàn)在座椅研制過程中開展流場分析工作具有十分重要的現(xiàn)實意義。它不僅使相關(guān)設(shè)計人員對產(chǎn)品的最終設(shè)計擁有堅實的理論依據(jù),而且還可以在節(jié)約大量試驗經(jīng)費(fèi)的情況下獲得一些試驗所不能得到的數(shù)據(jù)和規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱自強(qiáng).應(yīng)用計算流體力學(xué)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2001.

[2] 鐘錫昌,劉學(xué)宗譯.計算流體力學(xué)[M].科學(xué)出版社,1983.

[3] 陶文銓.計算傳熱學(xué)的近代進(jìn)展[M].科學(xué)出版社,2001.