固體火箭發動機尾焰對拖曳式設備的影響分析*

何 超

(91851部隊 葫蘆島 125001)

固體火箭發動機尾焰對拖曳式設備的影響分析*

何 超

(91851部隊 葫蘆島 125001)

針對某型試驗導彈的拖曳式跟飛設備在飛行過程中受發動機高溫高速尾焰影響的問題,提出了利用流體仿真計算確定尾焰輻射區域的方法。文章通過幾何建模,并使用Fluent軟件進行二維仿真計算,分析了固體火箭發動機尾焰輻射范圍,為拖曳式設備可靠跟飛確定了危險區域,為設備自身氣動設計等提供了必要的依據。

尾焰; 仿真計算; 湍流模型

Class Number TN974

1 引言

試驗導彈是考核艦空類武器系統的特殊武器,作用主要體現在能模擬一類典型的空中攻擊性武器的目標特性。其自身經常需要加載龍箔球、干擾源、箔條彈等特定的輔助設備,來模擬特定目標的特性。某型試驗導彈巡航段采用的是固體火箭發動機,要在其上加裝拖曳式設備,首先考慮的問題就是如何克服或避開固體發動機尾焰的高溫高速區域,避免拖曳式設備因高溫燒蝕而失去作用;并避免被高速氣流沖擊,造成拖曳纜繩受力增大及設備跟飛不穩定。只有確定了尾焰的輻射區域,綜合考慮后才能進行拖曳式設備氣動外形設計及質量質心控制等工作。因此,正確分析發動機尾焰高溫高速流動情況非常必要。

本文針對工程實際情況,用Icem軟件對固體發動機長尾噴管簡化建模,劃分網格區域,并使用Fluent軟件進行二維仿真計算,模擬在0.9Ma巡航速度下尾焰的具體流動情況,并確定出溫度、壓強分布范圍,給出速度云圖,最后給出會影響拖曳體穩定跟飛的流場范圍,為以后加裝拖曳設備做好流場環境分析工作。

2 數學模型

2.1 基本控制方程

本文仿真計算中涉及到的基本控制方程如下:

連續方程:

(1)

動量方程:

(2)

其中Su、Sυ、Sw為三個動量方程的廣義源項,其表達式如下

(3)

(4)

(5)

能量方程:

(6)

其中,Sh為單位體積產生的熱量,φ為耗散函數,u,υ,w為速度矢量U

三個坐標上的分量,p為壓力,ρ為流體密度,η為流體的動力粘度,T為溫度,計算式如下:

(7)

換熱方程:

(8)

狀態方程:

f(p,ρ,T)=0

(9)

空氣視為完全氣體:

p=ρRT,R=287.15

(10)

2.2 湍流模型

+Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(11)

(12)

Sε和Sκ分別為自定義源項,Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項。

2.3 壁面函數

低速高壓燃氣在拉瓦爾噴管中流動,與噴管壁面必然產生粘性流動。一般情況下在壁面附近流動的變化最為劇烈,最富多樣性。為了更好地仿真整個流動過程,本文中采用了增強壁面函數法,模擬壁面附近的氣體流動情況。

在這個模型中整個區域被分成粘性影響區域和充分紊流區域。兩層區域的劃分是由壁面距離和紊流雷諾數Rey所決定的。在充分紊流區(Rey>200)使用k-ε模型;在粘性影響的區域(Rey≤200)使用單方程的Wolfstein模型。

3 模型簡化和初始邊界條件

3.1 模型簡化

由于固體發動機巡航過程中尾焰必然受到彈身周圍的氣動情況影響,通過單獨對全彈氣動情況仿真計算,發現其氣動情況可近似處理。在本文中總體進行了以下簡化:

1) 忽略氣流經過彈身后產生的紊流,近似認為氣流以0.9Ma的速度垂直于尾噴管出口截面流入流場區域;

2) 由于發動機尾焰具有軸對稱性,因此本文中采用二維模型進行仿真計算。

3.2 初始條件

3.3 邊界條件

1) 入口邊界:根據巡航發動機推力穩定的特點,燃氣入口采用質量流量入口條件;空氣入口采用壓力遠場邊界條件;

2) 出口邊界:出口采用壓力遠場邊界條件;

3) 壁面邊界:尾噴管壁面采用固體壁面邊界條件,溫度梯度為0;其它所有邊界均選擇壓力遠場,速度0.9Ma;壓強101325Pa。

4 物理模型及計算結果分析

4.1 物理模型

本文簡化了固體火箭發動機物理模型,忽略了發動機燃燒室和長尾噴管,只從拉瓦爾噴管段開始建模;流場區域包含拉瓦爾噴管段及噴管出口后部的大區域,采用了結構化網格進行劃分,見下圖。

圖1 發動機噴管二維模型

圖2 流場整體區域

圖3 噴管出口網格劃分

4.2 計算結果分析

4.2.1 速度分布

通過計算,得出發動機尾焰氣流速度分布如圖4所示。通過等值線圖形可以看出,尾焰氣流整體成束狀分布,越往后速度越小,但縱向分布變大,這主要是由于外部0.9Ma的氣流對其的滯止作用影響產生的;通過色卡可以看出,沿尾噴管軸線上的速度最大,最大值為2332m/s,但在軸線上出現周期性的減小,同時外側速度也出現減小情況,這主要是由于高溫高速氣流與外部低速氣流相互作用,出現了激波、膨脹波,產生的周期性的增速減速過程,但整體上速度是沿軸線不斷減小的;通過速度線圖可以看出,氣流高速流動的區域(束狀),縱向分布最大處約為4d～5d(尾噴管出口直徑設為d)。

圖4 速度等值線分布圖(m/s)

4.2.2 溫度分布

仿真計算得出的溫度等值線分布如圖5所示。可以看出,溫度分布整體規律與速度分布相似。但在膨脹波前后,速度增大則溫度降低;速度減小則溫度升高。溫度最高達3408K,溫度分布縱向最寬處約為3d～4d。

圖5 靜溫等值線分布圖(K)

4.2.3 壓強分布

壓強等值線分布圖如圖6所示。由圖可以看出,總壓分布范圍比靜壓大的,但其軸向距離要明顯小于速度及溫度分布,縱向寬度也僅與d相當。總壓變化比較劇烈的部位主要是尾噴管擴張段及距噴管出口第一個膨脹波前。靜壓在尾噴管中變化比較劇烈,在尾噴管出口處前已近似于大氣壓(由于壓強變化比較大,在較小值時已無法具體辨別出)。

圖6 壓強等值線分布圖(Pa)

4.3 綜合分析

由4.2節分析結果可知,固體發動機尾焰中變化比較劇烈的是溫度和速度,輻射范圍最大的是速度分布,縱向寬度最大為4d～5d,縱向寬度最大處的軸向長度約為40d。此區域對于拖曳式設備來說是危險區域,在其中,拖曳式設備及纜繩將會受到高溫燒蝕;并會受到分布不均勻的高速氣流沖擊,飛行姿態瞬間會產生急劇變化;會形成一種短暫的超音速飛行模式,設備自身會面臨巨大的瞬間過載,并造成拖曳纜繩受力過大。因此,在設計拖曳式設備時,應當考慮讓設備及纜繩避開此區域,并應適當加大危險區范圍,以克服仿真計算所引起的誤差。

5 結語

流體仿真計算是一種成本低、周期短的計算手段,在飛行器設計、流體分析領域已經有三十多年的應用歷史。本文分析問題過程中采用了成熟的Fluent軟件進行仿真計算,給出了固體火箭發動機尾焰的輻射范圍,并指出了相對的危險區域,為拖曳式設備的研發提供了必要的依據。

[1] 康風舉.現代仿真技術與應用[M].北京:國防工業出版社,2006:40-53.

[2] 馮青.工程熱力學[M].西安:西北工業大學出版社,2006:87-98.

[3] 張兆順.流體力學[M].北京:清華大學出版社,2006:91-120.

[4] 錢翼稷.空氣動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004:45-78.

[5] 王新月.熱力學與氣體動力學基礎[M].西安:西北工業大學出版社,2004:62-93.

[6] 張碩.固體火箭發動機噴管及出口處流場特性的數值分析[J].彈箭與2學報,2007,27(1):177-180.

[7] 孫振華.飛行參數對導彈發動機羽流的影響[J].固體火箭技術,2005,28(3):188-191.

[8] 范維澄.流動及燃燒的模型與計算[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1992:114-152.

[9] 邢耀國.固體火箭發動機使用工程[M].北京:國防工業出版,2010:67-70.

[10] 楊世銘.傳熱學[M].北京:高等教育出版社,2006:197-227.

[11] 高波,葉定友,侯曉.固體發動機燃燒室內流場數值模擬研究現狀[J].固體火箭技術,1999,22(1):15-17.

Effect Analysis of the Tail Flame of Solid Rocket Motor on Towed Equipments

HE Chao

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

For researching on the influence of the towed equipments under the high temperature and high speed environment, the CFD simulation method is used to confirm the radiation area of tail flame. By means of Fluent software, the two dimensional simulated model of tail flame is established to analyze the radiation range of solid rocket motor. It can confirm the danger area of the equipments behind the missile and provide the necessary foundation for the equipments’ aerodynamic design.

tail flame, simulation calculation, turbulence model

2014年4月11日,

2014年5月21日

何超,男,助理工程師,研究方向:固體火箭發動機應用工程。

TN974

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.043