固體發(fā)動機水下點火尾流變化過程試驗研究

賈有軍，張勝敏，尤俊峰，白彥軍

(中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025)

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固體發(fā)動機水下點火尾流變化過程試驗研究

賈有軍，張勝敏，尤俊峰，白彥軍

(中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025)

采用高速攝像機對發(fā)動機水下點火工作的尾流生長變化過程進(jìn)行了記錄，獲得了尾流形態(tài)及其演化過程，分析了水環(huán)境對發(fā)動機尾流結(jié)構(gòu)變化的影響。試驗結(jié)果表明，發(fā)動機水下點火瞬態(tài)特性與空氣中有很大的不同，水下尾流前進(jìn)速度相比在空氣中顯著降低，同時軸向阻滯作用導(dǎo)致尾流向徑向擴展；尾流可分為氣泡區(qū)、摻混區(qū)和混合區(qū)；尾流一直發(fā)生小幅震蕩，間歇發(fā)生大幅震蕩，小幅震蕩和大幅震蕩是發(fā)動機水下工作的基本屬性。

固體火箭發(fā)動機；水下點火；尾流場；試驗研究

0 引言

近年來，先進(jìn)突防與攔截技術(shù)的發(fā)展對于固體火箭發(fā)動機水下點火工作提出了越來越多的應(yīng)用需求。固體火箭發(fā)動機水下點火初期，射流將在噴管出口附近形成一個不斷增長的燃?xì)馀?，燃?xì)馀莸男纬膳c運動規(guī)律對導(dǎo)彈水動力特性有很大影響，進(jìn)而影響到導(dǎo)彈在水中的彈道和出水姿態(tài)[1]。同時，尾流的振動特性會對水下航行器或?qū)椀碾娮釉O(shè)備及連接結(jié)構(gòu)可靠性帶來較大影響。

由于實驗成本和實驗條件的限制，以固體燃?xì)獍l(fā)生器開展接近真實水下發(fā)射環(huán)境的實驗研究很少，大多以高壓空氣或氮氣等水下冷氣射流實驗研究為主[2-3]，該類實驗無法模擬高溫燃?xì)馀c水介質(zhì)之間的相變現(xiàn)象及真實燃?xì)馀莸纳L變化過程。國內(nèi)已有一些文獻(xiàn)采用多項假設(shè)，利用數(shù)值方法研究了燃?xì)馀莸纳杉捌渥兓?guī)律，但由于實際過程的復(fù)雜性，相關(guān)計算結(jié)果與實際情況差異較大[4-7]，研究結(jié)果僅具有定性意義。因此，在接近真實狀態(tài)水下發(fā)射實驗環(huán)境，采用真實固體火箭發(fā)動機研究水下點火尾流變化過程，對于了解固體火箭發(fā)動機水下點火工作基本規(guī)律具有重要意義。

本文利用搭建的水下點火試車試驗系統(tǒng)，采用高速攝像機對試驗發(fā)動機尾流的形貌及其變化過程進(jìn)行了記錄和分析，獲得了發(fā)動機水下工作過程中尾流場演化的直接認(rèn)識，掌握了不同于空氣中尾流場的水下尾流場基本特性，為后續(xù)深入研究及工程應(yīng)用提供了有效參考。

1 試驗裝置

水下點火試驗系統(tǒng)由試驗環(huán)境模擬容器、試驗發(fā)動機、高速攝像機和數(shù)據(jù)采集及測量系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 水下點火試驗系統(tǒng)布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater ignition test system

試驗環(huán)境模擬容器直徑為2 m，長約8 m，艙內(nèi)空間分為試車艙和壓力平衡艙。試車艙長約5 m，內(nèi)部布置發(fā)動機試車臺，試車時安裝發(fā)動機并注水；壓力平衡艙長約3 m，用于容器加壓，模擬不同水深壓力，同時作為發(fā)動機排放氣體貯存與緩沖容器，防止排放的燃?xì)鈱?dǎo)致艙內(nèi)水壓快速上升。

水下點火試驗的步驟是將發(fā)動機安裝于艙內(nèi)試車臺上，連接傳感器；對試車艙注水，當(dāng)水超過觀察窗一定高度時停止注水；對壓力平衡艙加壓，使艙內(nèi)水壓達(dá)到設(shè)計深度時的靜水壓力；開始試車，測量數(shù)據(jù)；試車完成后排氣、放水。

為了研究固體發(fā)動機水下點火工作過程中的尾流發(fā)展，在2個透明窗體外，布置了2架拍攝速度達(dá)1 000楨/s的高速攝像機，可獲得發(fā)動機從點火到熄火的整個水下點火尾流場的詳細(xì)發(fā)展過程。

為避免水面邊緣效應(yīng)對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響，試驗中嚴(yán)格控制了發(fā)動機規(guī)模。本次試驗中，噴管出口中心線距自由液面距離達(dá)25倍噴管出口直徑以上，水面邊緣效應(yīng)對試驗結(jié)果影響很小。

2 試驗結(jié)果及分析

從攝像中可清楚地觀察到發(fā)動機水下工作點火瞬態(tài)、氣泡的形成、收縮、膨脹、斷裂，以及燃?xì)馀c水的劇烈摻混，兩相界面間的水汽化現(xiàn)象等。通過對高速攝像的分析，可獲得對發(fā)動機水下點火尾流場的直觀認(rèn)識。本文選取模擬水深10 m的水下點火熱試車進(jìn)行分析。

2.1 點火瞬態(tài)尾流分析

圖2為試驗發(fā)動機水下點火瞬態(tài)尾流場照片，從中可觀察到噴管堵蓋打開到燃燒室壓強建立的整個點火瞬態(tài)過程。

由圖2可見，在射流初期(0～4 ms)，燃?xì)饬髋懦鰢姽芎螅捎谑艿街車橘|(zhì)的阻滯作用，向四周翻卷形成回流，該回流使得燃?xì)饬魇紫葟膰姽艹隹谶吘夐_始突破，向外翻卷生長，徑向生長速度高于軸向生長速度，尾流呈現(xiàn)軸向內(nèi)凹形狀(4 ms)。隨著尾流繼續(xù)生長，并將噴管出口包裹在內(nèi)，尾流場內(nèi)可明顯看出燃?xì)饣亓餍纬傻臏u。6 ms時尾流直徑達(dá)到噴管出口外徑約3倍，尾流沿徑向生長放緩，以柱狀形式向下游擴展，在擴展的過程中，燃?xì)饬髋c水介質(zhì)不斷進(jìn)行強烈的氣液摻混。由于尾流在沿下游不斷生長的過程中，一直受到水介質(zhì)的壓縮作用，射流通道變窄，21 ms時尾流在距噴管出口約140 mm處發(fā)生了強烈的“頸縮”現(xiàn)象；同時，臨近“頸縮”部位尾流發(fā)生徑向膨脹，并與水進(jìn)行了較強摻混，此次“頸縮”現(xiàn)象導(dǎo)致尾流斷裂(24 ms)。隨后，尾流再度生長擴大，并向下游快速推進(jìn)，尾流場不同部位不斷發(fā)生著“膨脹-收縮-膨脹”的現(xiàn)象(58 ms)；隨著尾流向下游推進(jìn)，尾流沿直徑方向不斷增大，形成一定角度的錐體；179 ms時尾流場形狀基本確定，但仍處于不斷“膨脹-收縮-膨脹”的震蕩中。

2.2 穩(wěn)定工作段尾流分析

圖3為尾流基本穩(wěn)定時的形狀?？煽闯?，尾流明顯分為3個區(qū)域：氣泡區(qū)、摻混區(qū)和混合區(qū)。氣泡區(qū)內(nèi)主要為噴管排出的高溫燃?xì)?，氣泡區(qū)和周圍水介質(zhì)存在明顯的界面，在氣液邊界處不斷發(fā)生振顫現(xiàn)象，射流通道產(chǎn)生小幅度的膨脹-收縮震蕩過程；混合區(qū)主要是氣液混合體，由水和大量氣泡組成，在混合區(qū)內(nèi)存在大量渦流，混合區(qū)從上游到下游整體呈現(xiàn)錐形形狀；摻混區(qū)位于二者之間，高速氣體與水之間的剪切力導(dǎo)致氣水邊界發(fā)生劇烈摻混，兩者之間界面模糊，且劇烈摻混會對射流波系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，氣泡區(qū)末端不停地發(fā)生斷裂及破裂現(xiàn)象。

對尾流場照片連續(xù)放映，可觀察到整個尾流尤其是氣泡區(qū)處于不斷的膨脹-收縮-膨脹-收縮循環(huán)過程中，且在氣泡區(qū)末端不斷發(fā)生斷裂及破裂現(xiàn)象，燃?xì)馀c水發(fā)生強烈摻混，這種現(xiàn)象可理解為尾流的震蕩特性，這種震蕩的頻率基本上小于10 ms。

除通常的小幅震蕩外，水下試車還發(fā)現(xiàn)了數(shù)次燃?xì)馀莸拇蠓湛s-膨脹現(xiàn)象，圖4為燃?xì)馀莸囊淮未蠓鹗庍^程照片，整個過程持續(xù)時間約40 ms。值得注意的是在燃?xì)馀荽蠓鹗庍^程中，氣泡區(qū)仍在不停地做著小幅的膨脹收縮，或者說是小幅震蕩。本次研究的其他發(fā)動機水下試車也發(fā)現(xiàn)了相同現(xiàn)象，說明大幅震蕩和小幅震蕩是發(fā)動機水下點火工作的基本屬性。

(a)0 s (b)2 ms (c)4 ms

(d)6 ms (e)8 ms (f)10 ms

(g)12 ms (h)21 ms (i)24 ms

(j)45 ms (k)58 ms (l)95 ms

(m)179 ms (n)245 ms (o)275 ms

圖3 尾流場區(qū)域分布Fig.3 Regions of wake

圖5為尾流前鋒瞬態(tài)流場照片。從圖5可看出，水下尾流的形態(tài)與地面試車尾流有很大的不同。由于受到水的阻滯作用，尾流前鋒部位射流動壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，而壓力上升使得尾流向徑向擴展，尾流前鋒呈現(xiàn)內(nèi)凹形狀。最終，由于能量耗竭，此類現(xiàn)象不再持續(xù)。同時，氣液邊界處不斷地進(jìn)行相變轉(zhuǎn)化，尾流內(nèi)不斷進(jìn)行著膨脹-收縮-斷裂的小幅震蕩。

2.3 壓強下降段尾流分析

圖6為壓強下降段尾流場照片。從圖6可看出，

隨著燃燒室壓強的快速下降，由于周圍水介質(zhì)的壓力及阻滯作用，尾部氣泡區(qū)不斷縮小，最后混合區(qū)進(jìn)入噴管，導(dǎo)致發(fā)動機熄滅。

(a)446 ms (b)447 ms (c)478 ms

(a)288 ms (b)304 ms (c)324 ms

(d)344 ms (e)374 ms (f)404 ms

(a)2 784 ms (b)2 792 ms (c)2 800 ms

(d)2 896 ms (e)2 913 ms (f)2 946 ms

3 結(jié)論

(1)由于水的高密度及不可壓特性，發(fā)動機水下點火瞬態(tài)特性與空氣中有很大的不同：高密度水介質(zhì)極大地限制了尾流氣體的擴展，相比在空氣中，其向下游前進(jìn)速度顯著降低，同時軸向阻滯作用導(dǎo)致尾流向徑向擴展。

(2)工作穩(wěn)定時的尾流基本分為3個區(qū)域：氣泡區(qū)、摻混區(qū)和混合區(qū)。氣泡區(qū)內(nèi)氣液邊界處不斷發(fā)生振顫現(xiàn)象，射流通道產(chǎn)生小幅震蕩；摻混區(qū)內(nèi)不斷發(fā)生燃?xì)馀莸臄嗔鸭捌屏熏F(xiàn)象；在混合區(qū)內(nèi)存在大量渦流，混合區(qū)整體呈現(xiàn)錐形形狀。

(3)水下試車過程中，尾流一直做小幅震蕩，小幅震蕩頻率約為10 ms；同時，間歇發(fā)生大幅震蕩現(xiàn)象，大幅震蕩持續(xù)時間約為40 ms；小幅震蕩和大幅震蕩都是發(fā)動機水下點火工作的固有屬性。

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(編輯：崔賢彬)

Experimental research on the changing process of underwater ignition wake of solid rocket motor

JIA You-jun, ZHANG Sheng-min, YOU Jun-feng, BAI Yan-jun

(The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC, Xi'an 710025,China)

Using high-speed cameras to catch the growth of the changing process of underwater ignition wake to obtain the wake flow and its evolution process, and to analyze the water environmental impact on wake structure changes. The experiments show that the characteristics of underwater wake are very different from those in the air. The forward speed of underwater wake is significantly reduced than in air, while the axial blockade leads to wake expansion in radial direction. The wake flow can be divided into bubble zone, blending zone and mixed zone. The wake is always shocking slightly, and intermittently shocking sharply. Small shocks and large shocks are the fundamental property of underwater wake flow of solid rocket motor.

solid rocket motor；underwater ignition；wake field；experimental investigation

2015-06-02；

：2015-07-01。

賈有軍(1975—)，男，高級工程師，研究方向為固體火箭發(fā)動機設(shè)計與研究。E-mail:zyyan111@163.com

V435

A

1006-2793(2015)05-0660-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.05.011