噴水對車載垂直發(fā)射導(dǎo)彈燃?xì)饬鹘禍匦Ч芯?/h1>
2015-04-22 07:54:50于邵禎程國標(biāo)
固體火箭技術(shù) 2015年5期
于邵禎，姜 毅，劉 濤，程國標(biāo)，馬 波
(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.中國人民解放軍92768部隊，汕頭 515000)
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噴水對車載垂直發(fā)射導(dǎo)彈燃?xì)饬鹘禍匦Ч芯?/p>
于邵禎1,2，姜 毅1，劉 濤2，程國標(biāo)2，馬 波2
(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.中國人民解放軍92768部隊，汕頭 515000)
雙面導(dǎo)流器將車載垂直發(fā)射導(dǎo)彈在發(fā)射過程中產(chǎn)生的燃?xì)馍淞鞔蟛糠峙艑?dǎo)到發(fā)射車尾部或兩側(cè)，但仍有部分高溫燃?xì)饬鳑_擊到發(fā)射車底盤處，對發(fā)射車輪胎及車底安裝的線纜等設(shè)備造成嚴(yán)重的燒蝕。為實現(xiàn)熱防護，本文提出對尾焰流場噴水降溫措施，通過在發(fā)射車底盤安裝噴水管，利用液態(tài)水的汽化吸熱原理對燃?xì)饬鹘禍兀瑫r利用噴水射流的沖擊作用使燃?xì)饬鳑_擊距離減小，實現(xiàn)對發(fā)射車輪胎及發(fā)射裝備的保護，計算結(jié)果表明降溫效果明顯。同時，為研究噴水流速與降溫效果之間的關(guān)系，利用耦合Mixture多相流模型與組分輸運模型建立液態(tài)水汽化模型，對不同噴水流速下降溫過程進行數(shù)值計算，得出噴水流速與降溫效果之間的變化規(guī)律以及最優(yōu)化設(shè)計指標(biāo)，為發(fā)射車降溫裝置設(shè)計提供參考。
雙面導(dǎo)流器；噴水；氣液兩相流；汽化效應(yīng)
0 引言
車載導(dǎo)彈垂直發(fā)射過程中，一般采用導(dǎo)流器將發(fā)動機產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馀艑?dǎo)到車體外開闊空間，以避免燃?xì)饬鞯母邷責(zé)g作用對發(fā)射車及車載設(shè)備造成破壞，干擾導(dǎo)彈的正常發(fā)射。對于車載導(dǎo)彈垂直發(fā)射采用的導(dǎo)流器型面類型以及排導(dǎo)規(guī)律等，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進行了充分的理論與試驗研究。陳勁松等[1]首先對雙面型導(dǎo)流器排導(dǎo)規(guī)律及導(dǎo)流效果進行了仿真與試驗研究；胡曉磊等[2]利用數(shù)值計算和試驗，對比分析了燃?xì)饬鲗﹄p面導(dǎo)流器和導(dǎo)流器周圍地面的熱沖擊和動力沖擊效應(yīng)；盛文成[3]通過數(shù)值分析，對單面、雙面和組合形式的導(dǎo)流器流動特性進行了深入研究，得出了燃?xì)饬鲗?dǎo)流器和周圍環(huán)境的沖擊作用。但以上研究均針對導(dǎo)流器和發(fā)射環(huán)境所受燃?xì)饬鳑_擊作用效果進行分析，并沒對發(fā)射裝備的熱防護提出有效改進措施。
對火箭尾焰流場通過噴水實現(xiàn)降溫已經(jīng)在美國肯尼迪航天發(fā)射中心MFD(芯級導(dǎo)流槽)導(dǎo)流裝置中使用，并且航天中心的Bruce T Vu等[4]應(yīng)用數(shù)值計算方法，對噴水降溫效果進行了仿真分析。國內(nèi)馬艷麗、周帆等[5-7]通過試驗與數(shù)值計算方法，對固體火箭發(fā)動機尾焰注水流場進行了研究。本文以雙面導(dǎo)流器為例，對某車載導(dǎo)彈垂直發(fā)射雙面導(dǎo)流器排導(dǎo)效果進行簡要概述，并在此基礎(chǔ)上提出了一種噴水降溫裝置。通過數(shù)值計算，對噴水降溫裝置的降溫效果進行了研究，并得出不同噴水流速與降溫效果之間的變化規(guī)律，提出了優(yōu)化方案，該設(shè)計方案能夠有效地保護車底盤的非耐溫設(shè)備，同時該設(shè)計方案設(shè)備簡單，操作維護方便，有效地提高了導(dǎo)彈發(fā)射成功率，確保發(fā)射設(shè)備的安全和可靠性。
1 物理模型描述
1.1 燃?xì)饬髋艑?dǎo)物理模型
車載垂直發(fā)射導(dǎo)彈物理模型如圖1所示，包括車輪、車身、液壓支撐腿、導(dǎo)彈和導(dǎo)流器。其中，車輪為橡膠材質(zhì)，最易受到燃?xì)饬鞯臒g作用；導(dǎo)流器包括雙面導(dǎo)流槽和支架。
(a)發(fā)射裝置模型
(b)導(dǎo)流器模型
1.2 噴水裝置物理模型
冷卻水降溫裝置采用圖2所示的物理模型，該裝置主要由高壓氣瓶(1)、水箱(2)和噴水系統(tǒng)(3)組成，固定在發(fā)射車車廂底部靠近車尾位置。其實現(xiàn)功能是通過高壓氣瓶內(nèi)壓縮器與水箱聯(lián)通，在高壓氣作用下，使水箱內(nèi)常溫水流向噴頭并由噴嘴流出形成射流。
圖2(b)為噴頭裝置三維圖和剖面A-A視圖，中間打孔部位噴嘴為錐形噴嘴，有一定的收縮角，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。
為了能更好的實現(xiàn)降溫效果，噴水方向設(shè)置為與地面45°傾角方向指向車頭。這樣的設(shè)計利用水流與燃?xì)饬鞯陌殡S流動機理，實現(xiàn)兩者的充分接觸，最大程度地吸收燃?xì)饬鳠崮?，實現(xiàn)降溫效果。
(a)降溫系統(tǒng)示意圖
(b)噴頭系統(tǒng)物理模型
(c)噴嘴模型
2 數(shù)值計算方法
2.1 湍流模型
本文在湍流計算中，使用兩方程模型中的重整化群(Renormalization Group)方法，即RNGk-ε模型[8]。該模型通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除，得到k方程和ε方程如下：
(1)
該模型可更好地處理高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流動。
2.2 Mixture多相流模型
Mixture模型是一種歐拉-歐拉模型[9]，在該模型中，各相被當(dāng)作可互相融合的連續(xù)相，通過向流體力學(xué)基本控制方程中引入體積分?jǐn)?shù)的概念來模擬各相的分布。Mixture模型求解混合物的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，其中各方程均考慮了汽化模型、顆粒運動和化學(xué)反應(yīng)模型。通過相對速度來描述次要相的速度，當(dāng)相對速度為零時，則描述的流動為均勻多相流動。
2.3 液態(tài)水汽化模型
汽化包括蒸發(fā)和沸騰2種方式。蒸發(fā)是在液體表面、在任何條件下進行的緩慢汽化過程，液體溫度越高，蒸發(fā)越劇烈。沸騰指液體表面和內(nèi)部同時進行的劇烈汽化現(xiàn)象，它是在一定的外部壓力下，當(dāng)液體溫度升至一定值時，液體內(nèi)部產(chǎn)生大量汽泡，汽泡上升至表面破裂而放出大量蒸汽，這種液體的汽化方式即為沸騰。因為沸騰可產(chǎn)生大量蒸汽，所以作為工質(zhì)使用的蒸汽一般是通過沸騰方式獲得的。
如圖3所示，液態(tài)水的汽化過程分為定壓加熱(a-b)、定壓汽化(b-c)和定壓過熱(c-d)3個階段。其中，在定壓加熱階段，水的比熱容變化較小，吸熱量可忽略不計，在定壓汽化階段即沸騰汽化過程，該過程是主要的熱能轉(zhuǎn)化階段，液態(tài)水吸收燃?xì)獾拇蟛糠譄崃浚簯B(tài)水由液態(tài)全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。
圖3 液態(tài)水汽化過程Fig.3 Diagram of liquid water gasification process
在此過程中，能量轉(zhuǎn)換可表述為
ΔH=h″-h′=(u″-u′)+p(v″-v′)
(2)
其中，ΔH為汽化潛熱，蒸汽初始狀態(tài)(圖中b點)成為干蒸汽用“″”表示，末狀態(tài)稱為干飽和蒸汽用“′”表示，文獻[10]可查詢液態(tài)水所對應(yīng)狀態(tài)汽化潛熱值。
對干飽和蒸汽c繼續(xù)加熱，則干蒸汽的溫度升高。將溫度高于該壓力下飽和溫度的蒸汽稱為過熱蒸汽。定壓加熱過程由圖3中的c-d線表示，該階段所需的熱量用q表示，則有
(3)
式中Cp為平均定壓比熱。
2.4 液態(tài)水汽化方程
導(dǎo)彈發(fā)射過程中，高溫高壓的燃?xì)獗粚?dǎo)流器排導(dǎo)到發(fā)射車周圍環(huán)境，部分排導(dǎo)到車廂底部的燃?xì)馀c水流交匯，由于燃?xì)鉁囟群芨?3 000 K左右)，因此在交界面上會產(chǎn)生劇烈的汽化現(xiàn)象。計算中，根據(jù)水的飽和溫度計算水的汽化率，得到的計算模型表示如下。
液態(tài)水汽化公式:
(4)
水蒸氣凝結(jié)公式:
(5)
2.5 邊界條件設(shè)置
計算中，設(shè)置發(fā)動機噴管入口截面為壓強入口，燃燒室壓強在0.04 s時，線性上升到7 MPa，燃?xì)饪倻貫? 000 K，噴水管設(shè)置為速度入口，噴水管出口水流速度設(shè)置為60 m/s。燃?xì)馍淞魍膺吔鐥l件為壓強出口，環(huán)境壓強為101 325 Pa，環(huán)境溫度為300 K。計算模型采用六面體網(wǎng)格劃分，總數(shù)為220萬，模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。
(a)整體網(wǎng)格劃分示意圖
(b)導(dǎo)流器上網(wǎng)格劃分示意圖
3 結(jié)果與討論
3.1 未加噴水導(dǎo)流效果分析
圖5～圖7為未噴水狀態(tài)下燃?xì)饬髁鲌龇植?。圖5中顯示，高溫燃?xì)饬髟诮孛嫣幋蟛糠直粚?dǎo)流器排導(dǎo)到發(fā)射車兩側(cè)，但仍有少部分燃?xì)饬鲾U散到發(fā)射車周圍，使得發(fā)射車所處環(huán)境受到高溫影響，燃?xì)饬鳒囟燃s在1 500 K左右，車輪處于高溫環(huán)境中，同時觀察燃?xì)饬髟谲囕喓蟛康牧鲃忧闆r，高溫部分被車輪分為兩股。因此，可判斷燃?xì)饬鲗囕喸斐梢欢ǖ臎_擊作用。圖6為對稱面上燃?xì)饬鳒囟葓龇植肌?/p>
譯介學(xué)是以跨民族、跨語言、跨文化和跨學(xué)科為比較視域而展開的一支文學(xué)翻譯互動的研究。其學(xué)理基礎(chǔ)是“國別文學(xué)”與國際文學(xué)交流的存在，主要研究譯家譯作與國別文學(xué)發(fā)展之間的互動關(guān)系，也研究譯作對輸入國文學(xué)技巧的影響。[12]
從圖6可看出，部分燃?xì)饬魍高^導(dǎo)流器空隙沖擊到發(fā)射車車廂底部，越靠近地面，燃?xì)饬鳒囟仍礁摺?/p>
圖5 地面溫度分布Fig.5 Diagram of static temperature on the ground
圖6 對稱面燃?xì)饬鳒囟确植荚茍DFig.6 Diagram of static temperature on the symmetry plane
圖7 發(fā)射車車廂底部及車輪溫度分布云圖Fig.7 Diagram of static temperature at the bottom of the launcher and the tire
從圖7可看出，導(dǎo)彈發(fā)射時，燃?xì)饬鲗囕喌母邷責(zé)g作用顯著，在車輪下半部分周圍燃?xì)饬鳒囟雀哌_(dá)800 K，同時在車廂底部也存在一定的溫升。由于導(dǎo)彈發(fā)射過程中，在發(fā)射車底部通常布置有通信線纜，且發(fā)射車車輪也屬于非耐高溫部件。因此，從以上分析可得出，對于車廂底部以及車輪仍需采取一定的熱防護措施，以保證導(dǎo)彈的正常發(fā)射。
3.2 噴水降溫效果分析
圖8～圖10為噴水降溫后燃?xì)饬鳒囟确植荚茍D。從圖8可看出，噴水效果使得燃?xì)饬髟诘孛娴臏囟确植紖^(qū)域減小，尤其是車輪所在位置，相比不噴水狀態(tài)圖5，溫度下降明顯。在圖9所示的對稱面溫度云圖中，燃?xì)饬餮剀噹蟛康牧鲃颖凰鹘財啵噹虏炕緵]有高溫燃?xì)饬髁鲃?。從圖10所示的車廂底部及輪胎表面處燃?xì)饬鳒囟确植贾锌煽闯觯啾葓D7，輪胎表面最高溫度明顯下降，車廂面上燃?xì)饬鞲邷匚恢们耙?，但總體溫升不高。由此可見，采用噴水降溫設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對車載設(shè)備的降溫目的。
從圖11所示液態(tài)水質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率云圖中可看出汽化過程發(fā)生的主要位置，由圖11中汽化發(fā)生位置可判斷出，燃?xì)饬髟谠撐恢锰幈凰鹘財?，在靠近地面位置，汽化現(xiàn)象伴隨燃?xì)饬髁鲃酉蜍囕喎较蜓由欤俾手饾u降低，在車輪附近基本沒有汽化現(xiàn)象發(fā)生。因此，可證明在車輪位置幾乎沒有燃?xì)饬鞯牧鲃印?/p>
圖8 噴水降溫后地面溫度云圖Fig.8 Diagram of static temperature on the ground after cooling
圖9 噴水后對稱面溫度云圖Fig.9 Diagram of static temperature on the symmetry plane after cooling
圖10 噴水后車廂底部及車輪溫度分布云圖Fig.10 Diagram of static temperature at the bottom of the launcher and the tire after cooling
圖11 噴水過程中液態(tài)水質(zhì)量轉(zhuǎn)移云圖Fig.11 Diagram of liquid mass transfer rate during the weter spraying process
圖12為地面平均溫度變化曲線。曲線的波動原因是由于液態(tài)水與燃?xì)獾鸟詈献饔贸霈F(xiàn)脈動現(xiàn)象。但地表平均溫度基本保持在穩(wěn)定狀態(tài)，約為1 650 K；同時，由地面平均溫度變化曲線也可得到：燃?xì)饬髋c液態(tài)水的相互作用在0.02 s后處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖13為輪胎表面燃?xì)饬鳒囟茸畲笾岛推骄档淖兓€，在最大值變化曲線中出現(xiàn)2個較大的波峰后，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從時間分析可知，出現(xiàn)時間在0.02 s的波峰是由于燃?xì)饬鞒跏汲瑝涸斐桑?.04 s時刻波峰是由于初始燃?xì)饬髦形磁c液態(tài)水充分作用的前緣氣流所致。從0.04 s峰值過后，輪胎表面溫度基本穩(wěn)定，可認(rèn)為此刻液態(tài)水汽化進入穩(wěn)定狀態(tài)。從輪胎表面平均溫度變化曲線中也可驗證以上結(jié)論。
圖13 輪胎表面溫度變化曲線Fig.13 Diagram of static temperature around the tire
圖14為液態(tài)水汽化過程質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率。從變化曲線中可看出，汽化現(xiàn)象在0.07 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此刻彈體發(fā)動機燃燒室內(nèi)參數(shù)也處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，根據(jù)0.07 s之后汽化速率變化情況，通過對從水流入口流入的水量和計算域內(nèi)剩余水量積分，可得出該狀態(tài)下液態(tài)水汽化率為90.4%。
表1 2種狀態(tài)下溫度參數(shù)對比Table1 Comparison of the temperature parameters of the two states K
圖14 質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率Fig.14 Diagram of mass transfer rate
3.3 噴水降溫優(yōu)化設(shè)計
利用液態(tài)水汽化吸熱實現(xiàn)對導(dǎo)彈發(fā)射裝置的降溫過程中，導(dǎo)彈噴出燃?xì)馍淞髂芰恐祷咎幱诤愣顟B(tài)，降溫效果主要取決于液態(tài)水的汽化吸熱量。因此，通過對水流速的改變，可實現(xiàn)液態(tài)水汽化總量的變化，提高降溫效果，同時改變水流速，可改變液態(tài)水沖量，從而改變水流對燃?xì)饬鞯臎_擊作用，最終限制燃?xì)饬鞯牧鲃臃秶?。因此，選取液態(tài)水流速為20、30、35、40、55、60 m/s幾種典型狀態(tài)來對比降溫效果。
圖15為流速不同時車輪表面燃?xì)饬鳒囟茸兓€。為清楚說明降溫效果，將不同狀態(tài)數(shù)據(jù)分為圖15(a)、(b)2組數(shù)據(jù)，從圖15(a)中可看出，在最初0.05 s時間段3種狀態(tài)參數(shù)基本一致，此時燃?xì)饬髋c水流的耦合作用，并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在0.05 s后，從輪胎表面出現(xiàn)溫度最高值分析可得到：20、30 m/s噴水降溫效果優(yōu)于35 m/s，30 m/s噴水降溫效果。圖15(b)所示20、40、60 m/s噴水效果則出現(xiàn)遞變規(guī)律，60 m/s水流速噴水效果最優(yōu)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于液態(tài)水的汽化量和氣液兩相的瞬時沖量。在20 m/s噴水狀態(tài)下，液態(tài)水沖量相對燃?xì)饬鞯臎_量較小，因此會出現(xiàn)水流伴隨燃?xì)饬髁鲃拥默F(xiàn)象，燃?xì)饬鲓A帶部分液態(tài)水在流動過程中實現(xiàn)吸熱降溫，最終導(dǎo)致燃?xì)饬鳑_擊到輪胎部位后總能量下降，溫度降低。而隨著水流流速的增加，水流的沖量增大，使得對于燃?xì)饬鞯慕財嘈Ч鰪?。因此，燃?xì)饬鞔蟛糠譀]有沖破噴水管形成的水幕，無法直接沖擊到輪胎表面，這也是圖15(b)中燃?xì)饬髯兓^穩(wěn)定的原因。而對于圖15(a)中35 m/s噴水降溫效果是由于氣液兩相的沖量相當(dāng)，所以會有明顯的波動狀態(tài)。
(a)20、30、35 m/s
(b)20、40、60 m/s
圖16為幾種流速狀態(tài)下地面的平均溫度變化。從溫度變化的脈動現(xiàn)象中也可看出，氣液兩相之間的耦合作用基本處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)。
汽化速率的主要影響因素有氣液兩相間的溫度差、接觸面積2個方面。從圖17(a)中可得出，在20 m/s流速下，液態(tài)水汽化速率明顯高于40 m/s狀態(tài)。因此，可判斷20 m/s流速狀態(tài)氣液兩相接觸面較大。從圖17(b)得到40、55 m/s 2種流速狀態(tài)汽化速率基本一致，可判斷氣液兩相流場在這兩種工況下數(shù)值計算正確，氣液兩相流場相互作用處于穩(wěn)定狀態(tài)。對比可知，燃?xì)饬鞅凰鹘財?，此狀態(tài)下液相沖量占據(jù)主導(dǎo)地位。結(jié)合圖17(a)60 m/s狀態(tài)，因此不難得出在60 m/s流速下由于流速的增加，汽化速率增大的趨勢。在30、35 m/s 2種狀態(tài)下基本處于氣液兩相瞬時沖量相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。
表2為不同流速狀態(tài)下計算得到的燃?xì)饬髌?。對于計算時間原點的設(shè)定，通過對比圖15～圖17的原始數(shù)據(jù)可知，在0.06 s時刻氣液兩相狀態(tài)基本穩(wěn)定。因此，選取該時間點作為計算汽化率時間起點，截取表2各狀態(tài)下不同時間段內(nèi)液態(tài)水流入量和剩余量進行積分后并計算得出。從表2數(shù)據(jù)對比中可得出結(jié)論，在60 m/s流速狀態(tài)下，噴水降溫效果最佳。但20 m/s流速狀態(tài)下各項指標(biāo)較好，在滿足降溫條件的前提下，選擇20 m/s流速噴水降溫可減少用水量、降低高壓氣瓶氣壓。
(a)20、30、35、40 m/s
(b)20、55、60 m/s
(a)20、35、40、60 m/s
(b)20、40、55 m/s
表2 不同噴水速率下汽化率Table2 Comparison of the gasification rate with the speed of water jet
4 結(jié)論
(1)車載雙面導(dǎo)流器在不噴水發(fā)射導(dǎo)彈狀態(tài)下，部分高溫燃?xì)饬鲿飨虬l(fā)射車車底及輪胎部位，造成一定的燒蝕。尤其是燃?xì)饬魇艿杰囕喌淖铚?，造成在車輪表面氣流溫度較高，達(dá)到800 K，對于橡膠制品來說，處于危險工作狀態(tài)。另外，在車廂底部離地一定高度內(nèi)燃?xì)饬鳒囟容^高，對于車底布置線纜等仍處于高溫工作狀態(tài)。
(2)在車箱底部設(shè)計噴水降溫裝置，利用常溫狀態(tài)下液態(tài)水的汽化吸熱原理以及兩相流的沖擊作用，能夠?qū)_擊到發(fā)射車底部的燃?xì)饬饔行б种?，對于車輪的熱防護效果顯著，使車輪表面氣流溫度最高值降低到670 K，處于安全工作狀態(tài)。同時，在60 m/s噴水速度下，燃?xì)饬鞅挥行У刈钄啵塑噹撞扛邷厝細(xì)獾臐撛谖：Α?/p>
(3)液態(tài)水流速是噴水降溫效果的影響因素之一。一方面，噴水流速影響噴水總量，使得在單位時間內(nèi)液體汽化總量發(fā)生變化，燃?xì)饬鲀?nèi)能減小，溫度降低；另一方面，影響水流沖量，造成在液相與氣相的耦合過程中，液相水對氣流的截斷，阻滯燃?xì)饬飨蜍囶^方向擴散。
(4)噴水流速的增加與降溫效果的變化規(guī)律存在非線性，在流速由20 m/s增加至30 m/s或35 m/s后，車輪輪胎表面的最高溫度反而升高，在流速達(dá)到40 m/s后，降溫效果隨噴水流速的增加基本呈現(xiàn)線性降低的變化趨勢。分析在4種狀態(tài)下噴水流速的變化對于液態(tài)相的影響，主要是噴水總量和噴水瞬時沖量2個方面，從液態(tài)水總汽化量隨流速的增加基本呈遞增變化。因此，可推斷出現(xiàn)以上降溫效果的原因在于液態(tài)水的瞬時沖量的變化，氣液兩相瞬時沖量的相對變化，引起在交界面上兩相耦合作用發(fā)生變化，最終導(dǎo)致以上現(xiàn)象發(fā)生。
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(編輯：崔賢彬)
Study on the cooling effect of water injection on flame of vertical launch system
YU Shao-zhen1,2, JIANG Yi1, LIU Tao2, CHENG Guo-biao2, MA Bo2
(1.School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China；2.Troops No.92768 of PLA, Shantou 515000, China)
The double-faced deflector is designed for vertical launch system with which the jet flow can be drained to the both sides and the rear region. However, there is still a small part of high temperature flow seriously inpacting on the bottom of the vehicle where the communication cable and the rubber tire are mounted. In order to achieve the purpose of thermal protection, a new water-cooling system is designed, which is fixed on the chassis with water-injection pipe. This design is based on the endothermic gasification principle to reduce the energy of jet flow; besides, the impulse of water flow can also be used to cut off the gas flow to reduce the high temperature region. The result shows the thermal protection is effective. What's more, the corresponding relation ship between water velocity and the cooling effect is studied through the numerical calculation in which the coupling of mixture multiphase model and species transport model are used. The optimized design can also be regarded as a theoretical reference for engineering application.
double-faced deflector；water injection；gas-liquid two-phase flow；vaporization effect
2014-04-30；
：2014-05-12。
于邵禎(1984—)，男，博士生，研究方向為燃?xì)馍淞餮芯颗c計算。E-mail:bitysz@bit.edu.cn
V553
A
1006-2793(2015)05-0628-07
10.7673/j.issn.1006-2793.2015.05.005
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于邵禎，姜 毅，劉 濤，程國標(biāo)，馬 波
(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.中國人民解放軍92768部隊，汕頭 515000)
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噴水對車載垂直發(fā)射導(dǎo)彈燃?xì)饬鹘禍匦Ч芯?/p>
于邵禎1,2，姜 毅1，劉 濤2，程國標(biāo)2，馬 波2
(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.中國人民解放軍92768部隊，汕頭 515000)
雙面導(dǎo)流器將車載垂直發(fā)射導(dǎo)彈在發(fā)射過程中產(chǎn)生的燃?xì)馍淞鞔蟛糠峙艑?dǎo)到發(fā)射車尾部或兩側(cè)，但仍有部分高溫燃?xì)饬鳑_擊到發(fā)射車底盤處，對發(fā)射車輪胎及車底安裝的線纜等設(shè)備造成嚴(yán)重的燒蝕。為實現(xiàn)熱防護，本文提出對尾焰流場噴水降溫措施，通過在發(fā)射車底盤安裝噴水管，利用液態(tài)水的汽化吸熱原理對燃?xì)饬鹘禍兀瑫r利用噴水射流的沖擊作用使燃?xì)饬鳑_擊距離減小，實現(xiàn)對發(fā)射車輪胎及發(fā)射裝備的保護，計算結(jié)果表明降溫效果明顯。同時，為研究噴水流速與降溫效果之間的關(guān)系，利用耦合Mixture多相流模型與組分輸運模型建立液態(tài)水汽化模型，對不同噴水流速下降溫過程進行數(shù)值計算，得出噴水流速與降溫效果之間的變化規(guī)律以及最優(yōu)化設(shè)計指標(biāo)，為發(fā)射車降溫裝置設(shè)計提供參考。
雙面導(dǎo)流器；噴水；氣液兩相流；汽化效應(yīng)
0 引言
車載導(dǎo)彈垂直發(fā)射過程中，一般采用導(dǎo)流器將發(fā)動機產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馀艑?dǎo)到車體外開闊空間，以避免燃?xì)饬鞯母邷責(zé)g作用對發(fā)射車及車載設(shè)備造成破壞，干擾導(dǎo)彈的正常發(fā)射。對于車載導(dǎo)彈垂直發(fā)射采用的導(dǎo)流器型面類型以及排導(dǎo)規(guī)律等，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進行了充分的理論與試驗研究。陳勁松等[1]首先對雙面型導(dǎo)流器排導(dǎo)規(guī)律及導(dǎo)流效果進行了仿真與試驗研究；胡曉磊等[2]利用數(shù)值計算和試驗，對比分析了燃?xì)饬鲗﹄p面導(dǎo)流器和導(dǎo)流器周圍地面的熱沖擊和動力沖擊效應(yīng)；盛文成[3]通過數(shù)值分析，對單面、雙面和組合形式的導(dǎo)流器流動特性進行了深入研究，得出了燃?xì)饬鲗?dǎo)流器和周圍環(huán)境的沖擊作用。但以上研究均針對導(dǎo)流器和發(fā)射環(huán)境所受燃?xì)饬鳑_擊作用效果進行分析，并沒對發(fā)射裝備的熱防護提出有效改進措施。
對火箭尾焰流場通過噴水實現(xiàn)降溫已經(jīng)在美國肯尼迪航天發(fā)射中心MFD(芯級導(dǎo)流槽)導(dǎo)流裝置中使用，并且航天中心的Bruce T Vu等[4]應(yīng)用數(shù)值計算方法，對噴水降溫效果進行了仿真分析。國內(nèi)馬艷麗、周帆等[5-7]通過試驗與數(shù)值計算方法，對固體火箭發(fā)動機尾焰注水流場進行了研究。本文以雙面導(dǎo)流器為例，對某車載導(dǎo)彈垂直發(fā)射雙面導(dǎo)流器排導(dǎo)效果進行簡要概述，并在此基礎(chǔ)上提出了一種噴水降溫裝置。通過數(shù)值計算，對噴水降溫裝置的降溫效果進行了研究，并得出不同噴水流速與降溫效果之間的變化規(guī)律，提出了優(yōu)化方案，該設(shè)計方案能夠有效地保護車底盤的非耐溫設(shè)備，同時該設(shè)計方案設(shè)備簡單，操作維護方便，有效地提高了導(dǎo)彈發(fā)射成功率，確保發(fā)射設(shè)備的安全和可靠性。
1 物理模型描述
1.1 燃?xì)饬髋艑?dǎo)物理模型
車載垂直發(fā)射導(dǎo)彈物理模型如圖1所示，包括車輪、車身、液壓支撐腿、導(dǎo)彈和導(dǎo)流器。其中，車輪為橡膠材質(zhì)，最易受到燃?xì)饬鞯臒g作用；導(dǎo)流器包括雙面導(dǎo)流槽和支架。
(a)發(fā)射裝置模型
(b)導(dǎo)流器模型
1.2 噴水裝置物理模型
冷卻水降溫裝置采用圖2所示的物理模型，該裝置主要由高壓氣瓶(1)、水箱(2)和噴水系統(tǒng)(3)組成，固定在發(fā)射車車廂底部靠近車尾位置。其實現(xiàn)功能是通過高壓氣瓶內(nèi)壓縮器與水箱聯(lián)通，在高壓氣作用下，使水箱內(nèi)常溫水流向噴頭并由噴嘴流出形成射流。
圖2(b)為噴頭裝置三維圖和剖面A-A視圖，中間打孔部位噴嘴為錐形噴嘴，有一定的收縮角，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。
為了能更好的實現(xiàn)降溫效果，噴水方向設(shè)置為與地面45°傾角方向指向車頭。這樣的設(shè)計利用水流與燃?xì)饬鞯陌殡S流動機理，實現(xiàn)兩者的充分接觸，最大程度地吸收燃?xì)饬鳠崮?，實現(xiàn)降溫效果。
(a)降溫系統(tǒng)示意圖
(b)噴頭系統(tǒng)物理模型
(c)噴嘴模型
2 數(shù)值計算方法
2.1 湍流模型
本文在湍流計算中，使用兩方程模型中的重整化群(Renormalization Group)方法，即RNGk-ε模型[8]。該模型通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除，得到k方程和ε方程如下：
(1)
該模型可更好地處理高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流動。
2.2 Mixture多相流模型
Mixture模型是一種歐拉-歐拉模型[9]，在該模型中，各相被當(dāng)作可互相融合的連續(xù)相，通過向流體力學(xué)基本控制方程中引入體積分?jǐn)?shù)的概念來模擬各相的分布。Mixture模型求解混合物的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，其中各方程均考慮了汽化模型、顆粒運動和化學(xué)反應(yīng)模型。通過相對速度來描述次要相的速度，當(dāng)相對速度為零時，則描述的流動為均勻多相流動。
2.3 液態(tài)水汽化模型
汽化包括蒸發(fā)和沸騰2種方式。蒸發(fā)是在液體表面、在任何條件下進行的緩慢汽化過程，液體溫度越高，蒸發(fā)越劇烈。沸騰指液體表面和內(nèi)部同時進行的劇烈汽化現(xiàn)象，它是在一定的外部壓力下，當(dāng)液體溫度升至一定值時，液體內(nèi)部產(chǎn)生大量汽泡，汽泡上升至表面破裂而放出大量蒸汽，這種液體的汽化方式即為沸騰。因為沸騰可產(chǎn)生大量蒸汽，所以作為工質(zhì)使用的蒸汽一般是通過沸騰方式獲得的。
如圖3所示，液態(tài)水的汽化過程分為定壓加熱(a-b)、定壓汽化(b-c)和定壓過熱(c-d)3個階段。其中，在定壓加熱階段，水的比熱容變化較小，吸熱量可忽略不計，在定壓汽化階段即沸騰汽化過程，該過程是主要的熱能轉(zhuǎn)化階段，液態(tài)水吸收燃?xì)獾拇蟛糠譄崃浚簯B(tài)水由液態(tài)全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。
圖3 液態(tài)水汽化過程Fig.3 Diagram of liquid water gasification process
在此過程中，能量轉(zhuǎn)換可表述為
ΔH=h″-h′=(u″-u′)+p(v″-v′)
(2)
其中，ΔH為汽化潛熱，蒸汽初始狀態(tài)(圖中b點)成為干蒸汽用“″”表示，末狀態(tài)稱為干飽和蒸汽用“′”表示，文獻[10]可查詢液態(tài)水所對應(yīng)狀態(tài)汽化潛熱值。
對干飽和蒸汽c繼續(xù)加熱，則干蒸汽的溫度升高。將溫度高于該壓力下飽和溫度的蒸汽稱為過熱蒸汽。定壓加熱過程由圖3中的c-d線表示，該階段所需的熱量用q表示，則有
(3)
式中Cp為平均定壓比熱。
2.4 液態(tài)水汽化方程
導(dǎo)彈發(fā)射過程中，高溫高壓的燃?xì)獗粚?dǎo)流器排導(dǎo)到發(fā)射車周圍環(huán)境，部分排導(dǎo)到車廂底部的燃?xì)馀c水流交匯，由于燃?xì)鉁囟群芨?3 000 K左右)，因此在交界面上會產(chǎn)生劇烈的汽化現(xiàn)象。計算中，根據(jù)水的飽和溫度計算水的汽化率，得到的計算模型表示如下。
液態(tài)水汽化公式:
(4)
水蒸氣凝結(jié)公式:
(5)
2.5 邊界條件設(shè)置
計算中，設(shè)置發(fā)動機噴管入口截面為壓強入口，燃燒室壓強在0.04 s時，線性上升到7 MPa，燃?xì)饪倻貫? 000 K，噴水管設(shè)置為速度入口，噴水管出口水流速度設(shè)置為60 m/s。燃?xì)馍淞魍膺吔鐥l件為壓強出口，環(huán)境壓強為101 325 Pa，環(huán)境溫度為300 K。計算模型采用六面體網(wǎng)格劃分，總數(shù)為220萬，模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。
(a)整體網(wǎng)格劃分示意圖
(b)導(dǎo)流器上網(wǎng)格劃分示意圖
3 結(jié)果與討論
3.1 未加噴水導(dǎo)流效果分析
圖5～圖7為未噴水狀態(tài)下燃?xì)饬髁鲌龇植?。圖5中顯示，高溫燃?xì)饬髟诮孛嫣幋蟛糠直粚?dǎo)流器排導(dǎo)到發(fā)射車兩側(cè)，但仍有少部分燃?xì)饬鲾U散到發(fā)射車周圍，使得發(fā)射車所處環(huán)境受到高溫影響，燃?xì)饬鳒囟燃s在1 500 K左右，車輪處于高溫環(huán)境中，同時觀察燃?xì)饬髟谲囕喓蟛康牧鲃忧闆r，高溫部分被車輪分為兩股。因此，可判斷燃?xì)饬鲗囕喸斐梢欢ǖ臎_擊作用。圖6為對稱面上燃?xì)饬鳒囟葓龇植肌?/p>
譯介學(xué)是以跨民族、跨語言、跨文化和跨學(xué)科為比較視域而展開的一支文學(xué)翻譯互動的研究。其學(xué)理基礎(chǔ)是“國別文學(xué)”與國際文學(xué)交流的存在，主要研究譯家譯作與國別文學(xué)發(fā)展之間的互動關(guān)系，也研究譯作對輸入國文學(xué)技巧的影響。[12]
從圖6可看出，部分燃?xì)饬魍高^導(dǎo)流器空隙沖擊到發(fā)射車車廂底部，越靠近地面，燃?xì)饬鳒囟仍礁摺?/p>
圖5 地面溫度分布Fig.5 Diagram of static temperature on the ground
圖6 對稱面燃?xì)饬鳒囟确植荚茍DFig.6 Diagram of static temperature on the symmetry plane
圖7 發(fā)射車車廂底部及車輪溫度分布云圖Fig.7 Diagram of static temperature at the bottom of the launcher and the tire
從圖7可看出，導(dǎo)彈發(fā)射時，燃?xì)饬鲗囕喌母邷責(zé)g作用顯著，在車輪下半部分周圍燃?xì)饬鳒囟雀哌_(dá)800 K，同時在車廂底部也存在一定的溫升。由于導(dǎo)彈發(fā)射過程中，在發(fā)射車底部通常布置有通信線纜，且發(fā)射車車輪也屬于非耐高溫部件。因此，從以上分析可得出，對于車廂底部以及車輪仍需采取一定的熱防護措施，以保證導(dǎo)彈的正常發(fā)射。
3.2 噴水降溫效果分析
圖8～圖10為噴水降溫后燃?xì)饬鳒囟确植荚茍D。從圖8可看出，噴水效果使得燃?xì)饬髟诘孛娴臏囟确植紖^(qū)域減小，尤其是車輪所在位置，相比不噴水狀態(tài)圖5，溫度下降明顯。在圖9所示的對稱面溫度云圖中，燃?xì)饬餮剀噹蟛康牧鲃颖凰鹘財啵噹虏炕緵]有高溫燃?xì)饬髁鲃?。從圖10所示的車廂底部及輪胎表面處燃?xì)饬鳒囟确植贾锌煽闯觯啾葓D7，輪胎表面最高溫度明顯下降，車廂面上燃?xì)饬鞲邷匚恢们耙?，但總體溫升不高。由此可見，采用噴水降溫設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對車載設(shè)備的降溫目的。
從圖11所示液態(tài)水質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率云圖中可看出汽化過程發(fā)生的主要位置，由圖11中汽化發(fā)生位置可判斷出，燃?xì)饬髟谠撐恢锰幈凰鹘財?，在靠近地面位置，汽化現(xiàn)象伴隨燃?xì)饬髁鲃酉蜍囕喎较蜓由欤俾手饾u降低，在車輪附近基本沒有汽化現(xiàn)象發(fā)生。因此，可證明在車輪位置幾乎沒有燃?xì)饬鞯牧鲃印?/p>
圖8 噴水降溫后地面溫度云圖Fig.8 Diagram of static temperature on the ground after cooling
圖9 噴水后對稱面溫度云圖Fig.9 Diagram of static temperature on the symmetry plane after cooling
圖10 噴水后車廂底部及車輪溫度分布云圖Fig.10 Diagram of static temperature at the bottom of the launcher and the tire after cooling
圖11 噴水過程中液態(tài)水質(zhì)量轉(zhuǎn)移云圖Fig.11 Diagram of liquid mass transfer rate during the weter spraying process
圖12為地面平均溫度變化曲線。曲線的波動原因是由于液態(tài)水與燃?xì)獾鸟詈献饔贸霈F(xiàn)脈動現(xiàn)象。但地表平均溫度基本保持在穩(wěn)定狀態(tài)，約為1 650 K；同時，由地面平均溫度變化曲線也可得到：燃?xì)饬髋c液態(tài)水的相互作用在0.02 s后處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖13為輪胎表面燃?xì)饬鳒囟茸畲笾岛推骄档淖兓€，在最大值變化曲線中出現(xiàn)2個較大的波峰后，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從時間分析可知，出現(xiàn)時間在0.02 s的波峰是由于燃?xì)饬鞒跏汲瑝涸斐桑?.04 s時刻波峰是由于初始燃?xì)饬髦形磁c液態(tài)水充分作用的前緣氣流所致。從0.04 s峰值過后，輪胎表面溫度基本穩(wěn)定，可認(rèn)為此刻液態(tài)水汽化進入穩(wěn)定狀態(tài)。從輪胎表面平均溫度變化曲線中也可驗證以上結(jié)論。
圖13 輪胎表面溫度變化曲線Fig.13 Diagram of static temperature around the tire
圖14為液態(tài)水汽化過程質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率。從變化曲線中可看出，汽化現(xiàn)象在0.07 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此刻彈體發(fā)動機燃燒室內(nèi)參數(shù)也處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，根據(jù)0.07 s之后汽化速率變化情況，通過對從水流入口流入的水量和計算域內(nèi)剩余水量積分，可得出該狀態(tài)下液態(tài)水汽化率為90.4%。
表1 2種狀態(tài)下溫度參數(shù)對比Table1 Comparison of the temperature parameters of the two states K
圖14 質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率Fig.14 Diagram of mass transfer rate
3.3 噴水降溫優(yōu)化設(shè)計
利用液態(tài)水汽化吸熱實現(xiàn)對導(dǎo)彈發(fā)射裝置的降溫過程中，導(dǎo)彈噴出燃?xì)馍淞髂芰恐祷咎幱诤愣顟B(tài)，降溫效果主要取決于液態(tài)水的汽化吸熱量。因此，通過對水流速的改變，可實現(xiàn)液態(tài)水汽化總量的變化，提高降溫效果，同時改變水流速，可改變液態(tài)水沖量，從而改變水流對燃?xì)饬鞯臎_擊作用，最終限制燃?xì)饬鞯牧鲃臃秶?。因此，選取液態(tài)水流速為20、30、35、40、55、60 m/s幾種典型狀態(tài)來對比降溫效果。
圖15為流速不同時車輪表面燃?xì)饬鳒囟茸兓€。為清楚說明降溫效果，將不同狀態(tài)數(shù)據(jù)分為圖15(a)、(b)2組數(shù)據(jù)，從圖15(a)中可看出，在最初0.05 s時間段3種狀態(tài)參數(shù)基本一致，此時燃?xì)饬髋c水流的耦合作用，并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在0.05 s后，從輪胎表面出現(xiàn)溫度最高值分析可得到：20、30 m/s噴水降溫效果優(yōu)于35 m/s，30 m/s噴水降溫效果。圖15(b)所示20、40、60 m/s噴水效果則出現(xiàn)遞變規(guī)律，60 m/s水流速噴水效果最優(yōu)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于液態(tài)水的汽化量和氣液兩相的瞬時沖量。在20 m/s噴水狀態(tài)下，液態(tài)水沖量相對燃?xì)饬鞯臎_量較小，因此會出現(xiàn)水流伴隨燃?xì)饬髁鲃拥默F(xiàn)象，燃?xì)饬鲓A帶部分液態(tài)水在流動過程中實現(xiàn)吸熱降溫，最終導(dǎo)致燃?xì)饬鳑_擊到輪胎部位后總能量下降，溫度降低。而隨著水流流速的增加，水流的沖量增大，使得對于燃?xì)饬鞯慕財嘈Ч鰪?。因此，燃?xì)饬鞔蟛糠譀]有沖破噴水管形成的水幕，無法直接沖擊到輪胎表面，這也是圖15(b)中燃?xì)饬髯兓^穩(wěn)定的原因。而對于圖15(a)中35 m/s噴水降溫效果是由于氣液兩相的沖量相當(dāng)，所以會有明顯的波動狀態(tài)。
(a)20、30、35 m/s
(b)20、40、60 m/s
圖16為幾種流速狀態(tài)下地面的平均溫度變化。從溫度變化的脈動現(xiàn)象中也可看出，氣液兩相之間的耦合作用基本處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)。
汽化速率的主要影響因素有氣液兩相間的溫度差、接觸面積2個方面。從圖17(a)中可得出，在20 m/s流速下，液態(tài)水汽化速率明顯高于40 m/s狀態(tài)。因此，可判斷20 m/s流速狀態(tài)氣液兩相接觸面較大。從圖17(b)得到40、55 m/s 2種流速狀態(tài)汽化速率基本一致，可判斷氣液兩相流場在這兩種工況下數(shù)值計算正確，氣液兩相流場相互作用處于穩(wěn)定狀態(tài)。對比可知，燃?xì)饬鞅凰鹘財?，此狀態(tài)下液相沖量占據(jù)主導(dǎo)地位。結(jié)合圖17(a)60 m/s狀態(tài)，因此不難得出在60 m/s流速下由于流速的增加，汽化速率增大的趨勢。在30、35 m/s 2種狀態(tài)下基本處于氣液兩相瞬時沖量相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。
表2為不同流速狀態(tài)下計算得到的燃?xì)饬髌?。對于計算時間原點的設(shè)定，通過對比圖15～圖17的原始數(shù)據(jù)可知，在0.06 s時刻氣液兩相狀態(tài)基本穩(wěn)定。因此，選取該時間點作為計算汽化率時間起點，截取表2各狀態(tài)下不同時間段內(nèi)液態(tài)水流入量和剩余量進行積分后并計算得出。從表2數(shù)據(jù)對比中可得出結(jié)論，在60 m/s流速狀態(tài)下，噴水降溫效果最佳。但20 m/s流速狀態(tài)下各項指標(biāo)較好，在滿足降溫條件的前提下，選擇20 m/s流速噴水降溫可減少用水量、降低高壓氣瓶氣壓。
(a)20、30、35、40 m/s
(b)20、55、60 m/s
(a)20、35、40、60 m/s
(b)20、40、55 m/s
表2 不同噴水速率下汽化率Table2 Comparison of the gasification rate with the speed of water jet
4 結(jié)論
(1)車載雙面導(dǎo)流器在不噴水發(fā)射導(dǎo)彈狀態(tài)下，部分高溫燃?xì)饬鲿飨虬l(fā)射車車底及輪胎部位，造成一定的燒蝕。尤其是燃?xì)饬魇艿杰囕喌淖铚?，造成在車輪表面氣流溫度較高，達(dá)到800 K，對于橡膠制品來說，處于危險工作狀態(tài)。另外，在車廂底部離地一定高度內(nèi)燃?xì)饬鳒囟容^高，對于車底布置線纜等仍處于高溫工作狀態(tài)。
(2)在車箱底部設(shè)計噴水降溫裝置，利用常溫狀態(tài)下液態(tài)水的汽化吸熱原理以及兩相流的沖擊作用，能夠?qū)_擊到發(fā)射車底部的燃?xì)饬饔行б种?，對于車輪的熱防護效果顯著，使車輪表面氣流溫度最高值降低到670 K，處于安全工作狀態(tài)。同時，在60 m/s噴水速度下，燃?xì)饬鞅挥行У刈钄啵塑噹撞扛邷厝細(xì)獾臐撛谖：Α?/p>
(3)液態(tài)水流速是噴水降溫效果的影響因素之一。一方面，噴水流速影響噴水總量，使得在單位時間內(nèi)液體汽化總量發(fā)生變化，燃?xì)饬鲀?nèi)能減小，溫度降低；另一方面，影響水流沖量，造成在液相與氣相的耦合過程中，液相水對氣流的截斷，阻滯燃?xì)饬飨蜍囶^方向擴散。
(4)噴水流速的增加與降溫效果的變化規(guī)律存在非線性，在流速由20 m/s增加至30 m/s或35 m/s后，車輪輪胎表面的最高溫度反而升高，在流速達(dá)到40 m/s后，降溫效果隨噴水流速的增加基本呈現(xiàn)線性降低的變化趨勢。分析在4種狀態(tài)下噴水流速的變化對于液態(tài)相的影響，主要是噴水總量和噴水瞬時沖量2個方面，從液態(tài)水總汽化量隨流速的增加基本呈遞增變化。因此，可推斷出現(xiàn)以上降溫效果的原因在于液態(tài)水的瞬時沖量的變化，氣液兩相瞬時沖量的相對變化，引起在交界面上兩相耦合作用發(fā)生變化，最終導(dǎo)致以上現(xiàn)象發(fā)生。
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(編輯：崔賢彬)
Study on the cooling effect of water injection on flame of vertical launch system
YU Shao-zhen1,2, JIANG Yi1, LIU Tao2, CHENG Guo-biao2, MA Bo2
(1.School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China；2.Troops No.92768 of PLA, Shantou 515000, China)
The double-faced deflector is designed for vertical launch system with which the jet flow can be drained to the both sides and the rear region. However, there is still a small part of high temperature flow seriously inpacting on the bottom of the vehicle where the communication cable and the rubber tire are mounted. In order to achieve the purpose of thermal protection, a new water-cooling system is designed, which is fixed on the chassis with water-injection pipe. This design is based on the endothermic gasification principle to reduce the energy of jet flow; besides, the impulse of water flow can also be used to cut off the gas flow to reduce the high temperature region. The result shows the thermal protection is effective. What's more, the corresponding relation ship between water velocity and the cooling effect is studied through the numerical calculation in which the coupling of mixture multiphase model and species transport model are used. The optimized design can also be regarded as a theoretical reference for engineering application.
double-faced deflector；water injection；gas-liquid two-phase flow；vaporization effect
2014-04-30；
：2014-05-12。
于邵禎(1984—)，男，博士生，研究方向為燃?xì)馍淞餮芯颗c計算。E-mail:bitysz@bit.edu.cn
V553
A
1006-2793(2015)05-0628-07
10.7673/j.issn.1006-2793.2015.05.005
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