一種發射箱易碎蓋仿真分析

張道配 葉建國

【摘 要】針對某型發射箱易碎蓋的CFD流體力學仿真分析，給出易碎蓋在發動機火焰噴射過程中的實際動作情況，為后續易碎蓋結構優化設計奠定了良好基礎。

1 引言

近年來，國內外重點加強了設計制造方法學的研究，提出通過CFD數值模擬計算來評價和優化設計方案，目前高精度CFD數值模擬廣泛應用于汽車工業、飛行器氣動外形設計及機械內流場的數值模擬，在獲得直觀快捷結果的同時大幅減少了計算工作量。為此，本文通過CFD數值模擬方法對發射箱易碎蓋的氣動特性與流場進行仿真分析，這樣既可以提高設計精度、避免不必要的損失，又為該發射箱易碎蓋的結構優化設計奠定了良好基礎。

2 計算模型

計算時，模型作如下簡化，忽略導軌、翼面和外掛件的影響，將模型轉化為軸對稱模型。計算模型主要包括：發射箱體、彈體、發動機噴管、發射箱前后易碎蓋以及發射箱后端的計算區域，具體計算模型如圖1。由于理論模型簡化為軸對稱模型，所以在計算時可以采用1/4模型進行仿真分析，計算區域內的網格均為結構化網格，網格總數為210萬，1/4網格模型如圖2所示。

20℃時入口壓力隨時間變化的P-t（單位：Mpa-s）曲線見式（1），該曲線是以發動機壓力曲線擬合得到的，曲線以0ms為起始零點，85ms為結束點進行擬合，擬合壓力曲線如圖3所示，并將擬合曲線采用fluent編譯語言編制壓力曲線udf。

邊界條件：采用基于壓力瞬態計算，噴管入口作為計算區域的入口，設定為壓力入口邊界，環境壓力設置為101325Pa，入口總壓設置為尾噴管壓力擬合udf，靜壓設置為101325Pa，入口溫度設定為恒定溫度2700K。箱體、彈體、發射箱前后蓋均設為無滑移壁面邊界，發射箱后蓋開蓋之后為內部計算區域，后端計算區域的外邊界為壓力出口邊界條件，整個計算過程采用k-e、RNG方程，采用all zones進行初始化計算域。

3 計算結果

整個計算過程前后蓋的平均壓力隨時間變化的曲線分別見圖4、圖5所示。

約1ms時，發動機噴管射流的壓力傳到后蓋，氣流受到壓縮，產生壓縮波，同時，由于后蓋的反射，壓縮波在發射箱內向前傳播。1ms時的壓力、馬赫數、溫度云圖如圖6、7、8所示。

13ms時，后蓋反射的壓縮波傳到前蓋，13ms時的壓力、馬赫數、溫度云圖如圖9、10、11所示，36.2ms時，后蓋的平均壓力約為216kPa，后蓋達到破壞壓力（后蓋破壞壓力不小于200kPa），后蓋破碎，發射箱后蓋邊界條件變為內部計算區域，36.2ms時的壓力、馬赫數、溫度云圖如圖12、13、14所示。同時，壓縮波在發射箱內繼續向前傳播。

假設前蓋到達破壞壓力后不破碎，繼續進行計算，在后蓋開蓋前瞬間所反射的最后一道壓縮波傳遞到前蓋，壓縮波在前蓋疊加，使前蓋的平均壓力達到最大值為258kPa（后蓋破壞壓力不小于150kPa），隨后前蓋壓力逐漸降低，約55ms左右時壓力小于0kPa，55ms時的壓力、馬赫數、溫度云圖如圖21、22、23所示。

4 結論

隨著發射箱內部壓力的增加首先將后易碎蓋沖破，然后利用發動機火焰反沖力將錢易碎蓋沖破，通過本文的分析為該發射箱的易碎蓋機構優化設計提供良好的基礎。

參考文獻：

[1]豐松江. 液體火箭發動機燃燒動力學模型與數值計算[M].北京：國防工業出版社，2011。

[2]莊逢辰.液體火箭發動機噴霧燃燒的理論、模型及應用[M].長沙：國防科技大學出版社，1995。

作者簡介：

張道配，男，漢，河南省濮陽縣，1988年3月29日，研究生，工程師。主要研究方向或者從事工作：軍工產品總體結構設計。

葉建國，男，漢，江蘇連云港市，1982年10月2日，研究生，副高級工程師。主要研究方向或者從事工作：軍工產品結構及強度設計。

（作者單位：貴州航天風華精密設備有限公司）