一種潛入式可拋噴管數值仿真*

商慧增,崔金平

(中國空空導彈研究院,河南洛陽　471009)

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一種潛入式可拋噴管數值仿真*

商慧增,崔金平

(中國空空導彈研究院,河南洛陽471009)

摘要:對一種潛入式可拋噴管進行強度分析和流場仿真,強度仿真結果揭示了燃氣壓強作用下可拋噴管的應力分布,流場仿真結果揭示了燃氣經由可拋噴管排出時的流場特征,結果表明可拋噴管整體結構設計能夠滿足要求。研究中模擬了環形切割器工作對沖壓噴管被剪切部位的作用和影響,對模擬仿真結果與環形切割器功能驗證剪切試驗結果進行了對比分析,認為殼體剪切部位須設計一定厚度的臺階。數值仿真結果有助于可拋噴管的結構優化設計。

關鍵詞:可拋噴管;環形切割器;數值仿真;優化設計

0引言

文中提出一種潛入式可拋噴管方案。該方案中可拋噴管通過連接件緊固連接于沖壓噴管之上,在助推器工作時穩定工作,發動機轉級時依靠級間分離機構可靠拋除。沖壓噴管為助推補燃室的一部分,可拋噴管拋除后,沖壓噴管滿足發動機沖壓級的工作要求[1]。

對潛入式可拋噴管進行了強度分析和流場仿真,強度分析和流場仿真的結果能夠為工程設計提供參考和依據。模擬分析了環形切割器的工作對剪切部位的作用和影響,并對比試驗結果進行數據分析,為可拋噴管結構優化提供依據。

1可拋噴管強度仿真

1.1可拋噴管模型

潛入式可拋噴管的物理模型如圖1所示。模型包含金屬殼體、絕熱層、喉襯等部件。

圖1　噴管模型示意圖

1.2計算網格

噴管模型為軸對稱結構,對其進行網格劃分,網格數量為40萬,具體的網格劃分如圖2所示。

圖2　網格示意圖

1.3材料屬性定義

噴管模型由三種材料構成,其屬性參數如表1所示。金屬殼體的材料為30CrMnSiA,絕熱層的材料為高硅氧/酚醛,沖壓噴管和可拋噴管喉襯的材料為石墨。

表1　材料屬性

1.4載荷和邊界條件

強度計算中,載荷為內壓載荷,載荷的設置依據實際工況中內壓的極值,在此基礎上給定足夠的安全系數f=1.5,噴管擴張段給定相對較小的壓強,外部壓強設為零,這樣的設置可以保證計算結果的相對保守。邊界條件的設置包括兩個部分:1)過軸線截面的對稱;2)模型前端面的固支載荷。

圖3　載荷和邊界條件

1.5計算結果分析

載荷施加到模型上,模型就會產生變形,當載荷超過一定的限度時,模型就會產生過度變形或破壞,與變形和破壞相對應的就是材料的剛度和強度。為了保證機構正常工作,要對模型的強度和剛度提出如下的要求:1)強度要求。在規定載荷的作用下,結構最大應力應當不大于許用應力,即結構應當有足夠的抵抗破壞的能力。2)剛度要求。在載荷的作用下,結構即使有足夠的強度,但是如果變形過大,仍然不能正常工作,即機構應當有足夠的抵抗變形的能力。這里的強度仿真主要考查模型的強度和剛度。

殼體上的最大應力值為710.7 MPa(端面固支載荷處應力值不計在內),安全系數f=1.5已經體現在內壓載荷上,所以殼體的設計應力σsj=710.7 MPa。對于殼體材料30CrMnSiA,其抗拉強度極限為1 080 MPa,殼體計算富裕系數n=1.52。

圖4　殼體應力云圖

圖5　絕熱層應力云圖

絕熱層上的最大壓應力值為87.9 MPa。同樣的,由于安全系數f=1.5已經體現在內壓載荷上,即有絕熱層設計應力σsj=87.9 MPa。對于絕熱層材料高硅氧/酚醛,其抗壓強度極限為200 MPa,絕熱層計算富裕系數n=2.28。

圖6　喉襯應力分布圖

石墨喉襯上最大應力值為48.9 MPa,同樣的,安全系數f=1.5已經體現在內壓載荷上,即有喉襯設計應力σsj=48.9 MPa。對于內襯材料石墨,石墨的強度極限為70 MPa,石墨喉襯的計算富裕系數n=1.43。

圖8　U2向總體位移云圖

由U1(軸向)、U2(徑向)兩個方向的總體位移圖,可知在X、Y兩個方向的總體位移的最大值均不大于1 mm,整個機構上沒有出現過大的變形,機構能夠正常工作。最為關注的密封面上,相配合的兩個面幾乎不存在相對位移,密封圈能夠起到較好的密封效果。

表2　各部件強度仿真結果

2可拋噴管流場仿真

2.1計算網格

對噴管模型進行流場計算時,主要關注燃氣的流道,而不過多關心噴管殼體的外部構型。可拋噴管與沖壓噴管之間形成了一個背腔,背腔內部的流動情況也是關注的一個方面。

由于噴管模型的對稱性,取截面的一半作為二維模型,這樣結構更加簡單,可以在同樣的網格密度情況下減少網格的數量,既不影響計算結果的正確性,又能降低計算成本。網格的劃分如圖9所示,采用結構網格,近壁處以及速度梯度變化大的區域的網格進行局部加密處理[2-4]。

圖9　噴管二維模型及計算網格

2.2求解器和邊界條件

本次計算中選擇密度基耦合求解器隱式方式,以矢量方程求解連續性方程、動量方程、能量方程和組分方程,通過狀態方程得到壓強,其他標量方程按照分離方式求解。由于網格為二維結構化網格,對流項的差值方法采用一階精度既能保證計算的精度又易于收斂,梯度選項選擇Green-Gauss Cell Based,殘差收斂條件設置為10-5,湍流模型選擇Standardk-ε模型。

2.3流場仿真及結果分析

1)本次計算中,入口邊界壓強設置為9 MPa,即有總壓P0=9 MPa,噴管出口處的總壓均值約為8.05 MPa,總壓恢復系數約為0.895。

2)本次計算中,入口邊界溫度值設為3 200 K,由計算結果知,出口平均溫度約為1 500 K。

3)由計算結果可知,噴管出口速度最大值約為2 480 m/s,平均速度約為2 300 m/s。

4)由背腔內部的速度矢量分布圖可知,所關心的背腔內部渦流并沒有想象中的那么劇烈,背腔內部的燃氣速度基本都低于5 m/s。

圖10　流場仿真各參數云圖

3可拋噴管剪切試驗模擬仿真

3.1可拋噴管剪切部位模型

潛入式可拋噴管通過銷釘與助推補燃室沖壓噴管連接,剪切部位模型如圖11所示,通過仿真軟件仿真計算前對模型進行簡化,如圖12所示。通過調整保留部分和剪切部分的殼體厚度來改變可拋噴管剪切部位及其相鄰部位的狀態,針對不同狀態的殼體進行仿真計算,對比計算結果與試驗結果,為剪切部位結構優化提供依據。

圖11　可拋噴管剪切部位模型

圖12　剪切部位簡化模型

3.2環形切割器剪切行為模擬

模型中剪切部分厚度均為2.5 mm,保留部分與剪切部分間設有臺階,臺階厚度為0～10 mm不等,通過仿真軟件模擬環形切割器對不同狀態殼體的作用和剪切部位的影響。

表3　模擬仿真殼體變形量

圖13　臺階厚度0 mm

圖14　臺階厚度2 mm

圖15　臺階厚度4 mm

圖16　臺階厚度6 mm

圖17　臺階厚度8 mm

圖18　臺階厚度10 mm

對比分析圖13～圖18認為,當殼體剪切部分厚度為2.5 mm,臺階的厚度越厚,則環形切割器工作時對殼體保留部分的影響越小,保留部分殼體沿徑向的變形越小。

3.3環形切割器剪切試驗

環形切割器剪切試驗共完成了4發,均為常溫狀態。試驗中工裝殼體切割部分厚度為2.5 mm、3 mm和3.5 mm,臺階厚度均為9 mm。

圖19　剪切試驗器及環形切割器

圖20　剪切試驗I試驗殼體

圖21　剪切試驗II試驗殼體

圖22　剪切試驗III試驗殼體

圖23　剪切試驗IV試驗殼體

3.4剪切試驗模擬仿真結果分析

對比分析試驗結果和模擬仿真結果,認為試驗殼體臺階厚度越大,環形切割器工作對殼體造成的變形越小。

由于可拋噴管保留部分殼體上模壓粘接著高硅氧/酚醛復合絕熱材料,環形切割器工作對殼體造成的變形過大時,會導致復合絕熱材料與保留部分殼體脫粘,影響沖壓發動機的正常工作。

4次剪切試驗中,殼體臺階厚度為9 mm時,環形切割器工作時保留部分殼體變形量非常微小,可滿足設計要求。參考不同厚度的殼體臺階在模擬仿真中變形量(如表3所示),分析認為臺階厚度設計為6～10 mm時,殼體變形量可滿足設計要求,這一結論為可拋噴管結構優化提供了依據。

4結論

文中通過對所設計的潛入式可拋噴管進行仿真分析,得出如下的結論:

1)強度仿真結果揭示了可拋噴管的應力分布,結果表明噴管本體及其連接部位均滿足結構強度設計要求,在設置足夠的安全系數的情況下,仍具有一定的計算富裕系數。

2)由流場仿真結果可知,噴管型面結構能夠滿足性能要求。潛入式噴管的背腔內部存在渦流,渦流速度較小,對噴管性能影響不大[5-6]。

3)噴管剪切位置附近臺階厚度設計為6～10 mm時,殼體變形量可滿足設計要求,可拋噴管優化設計時臺階厚度須大于6 mm。

參考文獻:

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*收稿日期:2015-05-13

基金項目:中國空空導彈研究院科技創新基金資助

作者簡介:商慧增(1983-),男,河南鄭州人,工程師,碩士,研究方向:發動機能量控制技術研究工作。

中圖分類號:V435

文獻標志碼:A

Numerical Simulation of a Submerged Disposable Nozzle

SHANG Huizeng,CUI Jinping

(China Airborne Missile Academy, Henan Luoyang 471009, China)

Abstract:A simulation analysis of structural strength and flow field for a disposable nozzle was carried out, which revealed stress distribution and character of flow field of the nozzle, and the results proved that the overall structure of the nozzle could meet the structural requirements. The working effect of annular cutter on the nozzle was simulated, and the results of numerical simulation and previous cutting tests were analyzed, suggesting necessity of a stair with certain thickness. The analysis results can provide references for structural optimization design of disposable nozzle.

Keywords:disposable nozzle; annular cutter; numerical simulation; optimization