三維雙燃速裝藥固體火箭發動機工作過程研究

白濤濤,孫振華,2,張澤遠,2

(1 中國空空導彈研究院,河南洛陽 471009;2 航空制導武器航空科技重點實驗室,河南洛陽 471009)

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三維雙燃速裝藥固體火箭發動機工作過程研究

白濤濤1,孫振華1,2,張澤遠1,2

(1 中國空空導彈研究院,河南洛陽 471009;2 航空制導武器航空科技重點實驗室,河南洛陽 471009)

為了對復雜三維雙燃速裝藥固體火箭發動機工作過程進行深入研究,基于FLUENT軟件的UDF模塊,進行了三維雙燃速裝藥固體火箭發動機工作過程的數值計算,并與實驗結果進行了對比,結果表明:星型段的點火相對圓管段存在一定點火滯后;采用純六面體結構網格結合彈性光順法、動態分層法及局部網格重構法可以實現近似的三維雙燃速裝藥燃面推移過程計算，但仍需在非結構網格結合局部重構法方面進行深入研究；總的來說,仿真結果與實驗結果符合較好。

固體火箭發動機;三維裝藥;雙燃速;動網格;工作過程

0 引言

目前固體發動機的藥型設計越來越復雜,增加了研究人員對固體發動機裝藥點火和燃燒過程的研究難度,而國內大多數研究人員主要針對圓管裝藥[1,6-7]、端面裝藥[2]、等截面星型裝藥[3-5]等簡單藥型進行研究;國外如美國伊利諾伊州立大學先進火箭發動機仿真中心[8-10]在復雜藥型工作過程計算方面做了大量工作,其開發的Rocstar系列仿真軟件功能強大,計算精度也較高,但是需要巨量的計算資源,并且耗時漫長,缺點十分明顯。綜合以上研究人員的研究成果可以發現,目前國內對采用三維雙燃速裝藥的固體火箭發動機工作過程進行研究的報道尚不多見,因此對三維雙燃速裝藥固體火箭發動機的工作過程進行動態仿真研究有很大的必要性。

文中采用FULENT軟件UDF二次開發工具對三維雙燃速裝藥固體火箭發動機的點火及燃面退移工作過程進行仿真計算,并與實驗結果進行了對比分析,證明了計算方法的可靠性和仿真計算結果的正確性。

1 數學物理模型

1.1 基本假設

固體發動機的工作過程異常復雜，為便于計算，在計算時做出如下簡化：

1)燃氣為理想氣體，并且不考慮輻射換熱；

2)不考慮藥柱的侵蝕燃燒效應；

3)在發動機點火階段，燃燒室自由容積不變。

1.2 控制方程

計算中采用平均守恒形式的三維Navier-Stokes方程。采用S-A一方程湍流模型,對該湍流模型采取有限體積法進行數值求解。

其中:U=(ρ,ρux,ρuy,ρuz,ρe)T;E、F和G為矢通量;Ev、Fv和Gv為粘性通量;Q為源項。

1.3 網格劃分

計算采用圓管+圓臺+星型的三維裝藥,其中星型部分為高燃速裝藥,而圓管+圓臺部分為低燃速裝藥,計算網格為純六面體結構網格,初始網格總數為30萬,具體網格如圖1所示。

圖1 計算模型與網格

1.4 邊界條件

模型的邊界條件主要有:燃面邊界、固體壁面邊界和壓強出口邊界。

1)燃面邊界:高燃速(一級)裝藥燃速為r=7.891P0.27,低燃速(二級)裝藥燃速為r=5.24P0.27;

2)固體壁面邊界:固體壁面為絕熱無滑移壁面邊界;

3)噴管出口邊界:在堵蓋打開前為絕勢無滑移壁面邊界，堵蓋打開后為壓強出口邊界。

1.5 動態燃面退移與網格更新

動網格的控制方程:

式中:φ為待求變量;u為流體速度矢量;ug為便捷網格速度矢量;Γ為擴散系數;Sφ為源項;?V為有限容積的邊界。

在網格節點運動過程中,網格的動態更新采用彈性光順法、動態分層法及局部網格重構法結合來實現,在數值計算時采用UDF中的DEFINE_GRID_MOTION宏來實現。

1.6 計算流程

圖2為三維雙燃速裝藥發動機工作過程的計算流程圖。整個計算流程由點火和燃面推移兩部分組成，其中圖2中左邊部分為點火過程，而圖2中右半部分為燃燒過程。兩部分均采用FLUENT提供的自定義方程實現。

圖2 三維雙燃速裝藥發動機工作過程計算流程圖

2 計算結果與分析

2.1 點火過程

圖3為點火過程中發動機內部溫度變化圖。由圖可見，從2.8 ms開始所有燃面已經完全點燃,點火過程從火焰傳播期進入燃氣填充期,燃氣填充段共持續了10.2 ms,整個點火過程共持續了13 ms；另外整個三維裝藥點燃過程中，圓管段由于最靠近點火源，因此也最先被點燃，而星型段由于結構較復雜且離點火源的距離相對較遠，所以要晚于圓管段點燃。

圖3 點火過程中發動機內部溫度變化

2.2 燃面退移過程

圖4為發動機工作過程中燃面的變化過程。由圖可見,燃面按照平行層退移的方式逐層向外燃燒,裝藥的星型段(高燃速段)首先燃燒完畢,隨后圓管段+圓臺段(低燃速段)才逐漸燃燒完畢,整個過程共持續了6.28 s,在星型段燃面推移過程中發現，星根區域的燃面拓撲發生變化時，僅僅采用六面體結構網絡結合彈性光順、動態分層及局部網格重構法無法實現真正的燃面推移過程，因此只能在星根區域仍然保留該區域微小的拓撲特征，做近似的平行層推移計算，在后續的研究中需要開展四面體非結構風格結合局部網格重構的方法進行燃面推移計算，保證最大限度的模擬裝藥燃面推移過程。

圖4 燃面退移過程

2.3 內彈道曲線

圖5為燃燒室頭部無量綱壓強-時間曲線與實驗值的對比。從整體上來看,仿真計算得到的發動機頭部壓強與實驗結果符合較好,但是點火壓強峰與實驗得到的結果相比存在約15%的誤差,

這是由于計算過程中忽略了侵蝕燃燒的影響造成的;計算得到的發動機總工作時間與實驗數據相比也存在約13%的誤差,這是由于計算采用的靜態燃速要小于實際動態燃速,因此計算得到的裝藥燃燒時間也就相對偏長。

圖5 發動機內彈道曲線

3 結論

通過對某三維雙燃速裝藥固體火箭發動機的點火和燃面退移過程進行數值計算,并與實驗數據進行對比,得出如下相關結論:

1)整個點火過程只耗費了13 ms，并且圓管段要早于星型段點火;

2)采用六面體純結構化網格結合彈性光順、動態分層法和局部網格重構法僅能近似描述復雜三維裝藥的燃面推移過程，后續研究仍需在四面體非結構網格結合局部網格重構法方面進行深入研究;

3)總的來說,仿真計算結果與實驗結果符合較好,表明文中的計算方法合理、仿真結果正確。

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Study of Work Process in Three-dimension Dual-burning Rate Grain Solid Rocket Motor

BAI Taotao1,SUN Zhenhua1,2,ZHANG Zeyuan1,2

(1 China Airborne Missile Academy, Henan Luoyang 471009, China; 2 Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons, Henan Luoyang 471009, China)

In order to study work process of three-dimensional dual-burning rate grain solid rocket motor, simulation was made based on UDF of FLUENT and compared with the results of experiment. The results show that there is a lag in the tube section in the flame propagation of ignition, comparing with the star section of the grain. We can carry out the shift of three-dimension dual-burning rate grain by integrating structured mesh with smoothing methods, dynamic layering and local emeshing approximately. However, a further investigation should be holding in the area of unstructured mesh and local emeshing. As a whole, the calculated results compare favorably with experimental data.

solid rocket motor; three-dimensional grain; dual-burning rate; dynamic mesh; work process

2014-12-03

白濤濤(1983-),男,河南洛陽人,工程師,碩士研究生,研究方向:火箭發動機設計與仿真。

V435

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