過載狀態(tài)下雙脈沖發(fā)動機內(nèi)流場特性研究

肖 華

江南機電設(shè)計研究所 貴州 貴陽 550000

引言

當(dāng)今為了提高導(dǎo)彈生存能力,強調(diào)防區(qū)外發(fā)射,強調(diào)彈道可變性；為了對付高機動性目標(biāo),要求導(dǎo)彈具有足夠大的末速度；為了在最短時間攻擊目標(biāo),要求導(dǎo)彈的平均速度最大。從這些角度出發(fā),雙脈沖固體火箭發(fā)動機成為足以代替助推—主發(fā)動機的另一種導(dǎo)彈發(fā)動機,雙脈沖固體火箭發(fā)動機在提高導(dǎo)彈的有效射程,靈活控制導(dǎo)彈速度以及諸多方面可以充分發(fā)揮其優(yōu)越性。高速防空反導(dǎo)導(dǎo)彈由于高機動要求,發(fā)動機在大過載條件下內(nèi)部流場發(fā)生改變,會造成一脈沖燃燒室絕熱層的異常燒蝕而失效,從而造成發(fā)動機在大過載條件下結(jié)構(gòu)完整性失效。發(fā)動機在導(dǎo)彈飛行狀態(tài)與地面試車狀態(tài)差別較大,造成發(fā)動機飛行安全性降低,因此對發(fā)動機處于大過載條件下的內(nèi)部流場特性分析十分必要,為一脈沖燃燒室絕熱層設(shè)計提供依據(jù)。

本文采用商用CFD軟件,分析了發(fā)動機二脈沖工作時,不同過載條件下發(fā)動機內(nèi)流場特性。

2 計算方法

2.1 基本假設(shè) 由于雙脈沖固體火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)的流動是一個相當(dāng)復(fù)雜的物理和化學(xué)問題,為簡化計算,本文模型基于如下假設(shè):

(1)在燃燒室內(nèi)流動過程中,均不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng),也忽略熱輻射的作用；

(2)忽略燃燒產(chǎn)物中的固相顆粒,將其視為純氣相的完全氣體混合物；

(3)不考慮侵蝕燃燒效應(yīng)的影響和內(nèi)壁面燒蝕作用。

2.2 計算模型 典型雙脈沖固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙脈沖固體火箭發(fā)動機示意圖

2.3 數(shù)值計算方法 采用CFD商業(yè)軟件Fluent,通過求解Reynolds平均Navier-Stokes方程數(shù)值模擬了發(fā)動機內(nèi)流場,控制方程的離散采用有限容積法,空間離散采用二階迎風(fēng)格式,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分,對隔艙和噴管壁面處的網(wǎng)格進行加密。

2.4 數(shù)值仿真結(jié)果

3.1 典型雙脈沖發(fā)動機內(nèi)部流場特性 在無過載條件下對發(fā)動機進行了流場模擬,發(fā)動機內(nèi)部流線圖如圖2所示。雙脈沖發(fā)動機燃燒室內(nèi)流場特征:二脈沖工作時,產(chǎn)生的燃?xì)饬鹘?jīng)過級間通道流入一脈沖燃燒室,此時一脈沖燃燒室絕熱層壁面完全暴露在高溫燃?xì)庀?流經(jīng)級間通道后,截面積突擴,燃?xì)獍l(fā)生分離流動,在級間通道下游形成渦流,在級間根部形成角渦,同時在渦流結(jié)束處形成氣流再附著點,而后流出噴管。

現(xiàn)代高能推進劑中添加有金屬粉劑,發(fā)動機內(nèi)流場的特點會造成顆粒半徑較小的粒子在一脈沖燃燒室前端區(qū)域高度聚集,惡化一脈沖燃燒室的工作環(huán)境,嚴(yán)重時導(dǎo)致絕熱層防護體系失效,出現(xiàn)發(fā)動機燒穿故障。因此,在粒子聚集的區(qū)域,絕熱層需進一步加厚設(shè)計,保證燃燒室殼體結(jié)構(gòu)完整性。

圖2 發(fā)動機內(nèi)部流線分布圖

3.2 過載條件下發(fā)動機內(nèi)流場特性 發(fā)動機在不同過載條件,分別取軸向過載x=0、橫向過載y=20g；軸向過載x=20g,橫向過載y=0；軸向過載x=20g,橫向過載y=20g,對發(fā)動機內(nèi)流場進行數(shù)值模擬。發(fā)動機內(nèi)部流線如圖3所示,與無過載情況相比,流場結(jié)構(gòu)相似,一脈沖燃燒室前端回流區(qū)域大小基本相同。

圖3 不同過載條件下發(fā)動機內(nèi)部流線圖

在不同過載條件下,發(fā)動機軸線上壓力分布如圖4所示。與無過載條件相比,過載對軸向上壓力分布影響較大。在有過載條件下,一、二脈沖燃燒室整體壓強明顯增加,且節(jié)流損失有所增加,造成發(fā)動機燃燒室殼體強度需求有所增加。在不同過載條件下發(fā)動機軸線壓力分布對比可看出,一脈沖燃燒室壓強明顯增加,在單獨橫向過載條件下最大。雖然不同過載條件下一脈沖燃燒室前端回流區(qū)域面積基本相同,但過載的存在,將造成回流區(qū)域燃?xì)饬髦泄虘B(tài)顆粒對絕熱層的沖刷速率增加,因此在設(shè)計時,應(yīng)考慮絕熱層沖刷燒蝕速率增加造成的影響,增加絕熱層厚度或采用多層絕熱層結(jié)構(gòu)。從軸線壓力分布還可以看出,過載的存在也將影響噴管處絕熱材料的燒蝕率,在設(shè)計時應(yīng)加以考慮。

圖4 不同過載條件下發(fā)動機軸線壓力分布

結(jié)論

本文對雙脈沖固體火箭發(fā)動機在二脈沖燃燒室工作時的流場進行數(shù)值模擬,研究了過載對發(fā)動機內(nèi)流場的影響,通過對流線分布、壓強分布和節(jié)流損失特性的分析,得出以下結(jié)論:在導(dǎo)彈飛行過載條件下,應(yīng)考慮絕熱層沖刷燒蝕速率增加造成的影響,增加絕熱層厚度或采用多層絕熱層結(jié)構(gòu)。