噴水對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射內(nèi)彈道影響數(shù)值研究

楊　琦，郭佳肄，胡曉磊

（1.安徽工業(yè)大學(xué)　工程實(shí)踐與創(chuàng)新教育中心；2安徽工業(yè)大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院，安徽　馬鞍山　243002）

噴水對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射內(nèi)彈道影響數(shù)值研究

楊琦1，郭佳肄1，胡曉磊2

（1.安徽工業(yè)大學(xué)工程實(shí)踐與創(chuàng)新教育中心；2安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002）

為研究噴水對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射動(dòng)力裝置流場(chǎng)和內(nèi)彈道影響，基于Mixture多相流模型和汽化模型模擬燃?xì)馀c水的汽化過(guò)程，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程.通過(guò)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值方法的可靠性.研究了噴水和不噴水兩種工況下彈射流場(chǎng)和內(nèi)彈道特性.結(jié)果表明：噴水使得燃?xì)?蒸汽彈射動(dòng)力裝置內(nèi)流場(chǎng)溫度和壓力降低，減小了導(dǎo)彈的最大加速度和出筒速度，延長(zhǎng)了導(dǎo)彈的出筒時(shí)間.

燃?xì)?蒸汽彈射；Mixture多相流；汽化模型；動(dòng)網(wǎng)格；內(nèi)彈道

燃?xì)?蒸汽彈射具備發(fā)射威力大、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)、隱蔽性能高、穩(wěn)定性能好等諸多優(yōu)勢(shì)，在各種發(fā)射裝置中使用較為廣泛.由于燃?xì)馀c冷卻水之間的汽化現(xiàn)象對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射彈道品質(zhì)有著較大影響［1］，有必要針對(duì)冷卻水對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射內(nèi)彈道的影響進(jìn)行研究和分析.目前常用的對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射過(guò)程的方法主要是實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真.呂翔［2］采用實(shí)驗(yàn)的方法研究變深度發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)彈速度的測(cè)量方法.肖虎斌［3］采用霧化理論建立了燃?xì)?蒸汽彈射流場(chǎng)數(shù)值模型，研究了彈射過(guò)程中流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，研究中忽略了導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程.陳慶貴［4］分別從內(nèi)彈道方程出發(fā)建立了燃?xì)?蒸汽彈射內(nèi)彈道物理模型，給出了導(dǎo)彈彈射過(guò)程中彈道變化規(guī)律，但是沒有給出流場(chǎng)分布情況.胡曉磊［5］研究了彈射過(guò)程中截面二次流動(dòng)現(xiàn)象和彈射內(nèi)彈道變化規(guī)律，沒有研究注如冷卻水對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射的影響.

本文針對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射裝置，依據(jù)多相流理論，結(jié)合模擬汽化模型，建立兩相流數(shù)值模型，研究冷卻水對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射流場(chǎng)、載荷和內(nèi)彈道的影響.

1　數(shù)學(xué)模型

燃?xì)?蒸汽彈射流場(chǎng)包含氣-液兩相混合流動(dòng)，采用Mixture多相流模型，將液相和氣相組成的混合物作為變密度單一流體，建立氣液兩種流體控制方程，采用有限體積法離散控制方程，壓力梯度項(xiàng)采用Standard格式進(jìn)行離散，使用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行動(dòng)量方程的差分，運(yùn)用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行湍流輸運(yùn)方程的差分，壓力-速度耦合選用PISO算法，應(yīng)用壁面函數(shù)對(duì)近壁區(qū)域進(jìn)行處理.由于高溫燃?xì)馀c低溫冷卻水混合時(shí)存在摻混現(xiàn)象，本文選用適合完全湍流流動(dòng)的RNG湍流模型.

2　計(jì)算模型與邊界條件

2.1計(jì)算模型

圖1為燃?xì)?蒸汽彈射動(dòng)力裝置模型，由二級(jí)噴管、噴水口、彎管、發(fā)射筒和彈底等部分基本結(jié)構(gòu)組成.燃?xì)獍l(fā)生器工作原理為二級(jí)噴管噴出的燃?xì)馍淞髋c噴水口噴出的冷卻水混合后形成燃?xì)?蒸汽，進(jìn)入發(fā)射筒底部，形成推力，推動(dòng)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng).因此，本文中提出的燃?xì)?蒸汽彈射的計(jì)算就是從燃?xì)獍l(fā)生器的出口開始進(jìn)行.

圖1　燃?xì)?蒸汽彈射動(dòng)力裝置模型

2.2邊界條件

圖2　噴管入口壓力隨時(shí)間變化曲線

圖2所示的是二級(jí)噴管采用壓力入口邊界條件下壓力隨時(shí)間變化曲線，其中p為燃?xì)鈮毫?，p0為初始燃?xì)鈮毫?，t為彈射時(shí)間，t0為無(wú)量綱值.燃?xì)馊肟跍囟葹?200K.噴水口采用質(zhì)量流率入口，質(zhì)量流率為5kg/s，噴水壓差為10倍.

3　數(shù)值方法的驗(yàn)證

采用穩(wěn)中數(shù)值計(jì)算方法對(duì)典型的燃?xì)馀c水的汽化現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算采用四分之一圓柱模型對(duì)文獻(xiàn)［6］中流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，將實(shí)驗(yàn)中的4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)溫度與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如表1所示.

從對(duì)比的結(jié)果來(lái)看，計(jì)算溫度值略高于試驗(yàn)溫度值的5%之內(nèi)，表明文中建立的數(shù)值方法是的有效性和可靠性.

因此采用Mixture多相流體動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型可以實(shí)現(xiàn)汽水兩相流場(chǎng)的求解，為此開展冷卻器內(nèi)汽水兩相流場(chǎng)研究.

表1　數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值［6］對(duì)比

4　結(jié)果與討論

圖3為彈射過(guò)程中不噴水純氣相彈射裝置中心面溫度場(chǎng)云圖.從圖中可見，發(fā)射筒內(nèi)溫度變化在0.1s達(dá)到峰值后逐步降低.圖4為彈射過(guò)程中噴水氣液兩相彈射裝置中心面溫度場(chǎng)云圖.從圖中可見，在0.2s～0.3s，彎管內(nèi)高溫區(qū)向發(fā)射筒側(cè)偏移.這是由于在這段時(shí)間內(nèi)，垂直向下噴射的燃?xì)饬魇軝M向冷卻水的沖擊，使得高溫燃?xì)庀驈澒苤行木奂?，同時(shí)受到發(fā)射筒體積開始增加，彎管內(nèi)燃?xì)庹羝旌蠚怏w受吸引，向發(fā)射筒一側(cè)偏移.

圖3　不噴水純氣相彈射裝置中心面溫度場(chǎng)云圖（單位：K）

圖4　噴水氣液兩相彈射裝置中心面溫度場(chǎng)云圖（單位：K）

從圖3和圖4對(duì)比可見，在不噴水工況下，彎管壁面一直受到高溫燃?xì)獾臎_擊，同時(shí)發(fā)射筒內(nèi)溫度為3600K左右.在噴水工況下，彎管壁面溫度較低，發(fā)射筒內(nèi)溫度為700K左右.可見噴水可以使發(fā)射筒內(nèi)溫度降低2900K.

圖5為不噴水和噴水兩種工作狀態(tài)下發(fā)射筒內(nèi)溫度和壓力指標(biāo)隨時(shí)間變化曲線.從圖中溫度曲線對(duì)比可見，噴水發(fā)射筒內(nèi)溫度的降低有顯著的作用.在噴水工況下，發(fā)射筒內(nèi)溫度最高為2500K；在不噴水工況下，發(fā)射筒內(nèi)溫度最高為4000K，即噴水使得發(fā)射筒內(nèi)最高溫度降低了1500K，降幅達(dá)到37.5%，其主要原因是冷卻水吸收了高溫燃?xì)獾哪芰吭斐傻?

圖5　發(fā)射筒內(nèi)溫度和壓力隨時(shí)間變化曲線

從圖5中壓力曲線對(duì)比可見，不噴水工況下發(fā)射筒內(nèi)壓力最大值為9.2MPa；噴水工況下發(fā)射筒內(nèi)最大壓力最大值為6MPa.噴水工況可以使發(fā)射筒內(nèi)最大壓力降低3.2MPa，降幅達(dá)到34.8%.可見噴水工況對(duì)降低發(fā)射筒內(nèi)的壓力有顯著作用.

為了定量研究噴水對(duì)彈射內(nèi)彈道的影響，假定發(fā)射筒長(zhǎng)為5m，在噴水和不噴水兩種工作狀態(tài)下彈射內(nèi)彈道曲線如圖6所示.導(dǎo)彈出筒時(shí)間在噴水工況下為0.36t0，在不噴水工況下為0.27t0，可見，噴水延長(zhǎng)了導(dǎo)彈的出筒時(shí)間.從彈射過(guò)程中加速度a的曲線可以看出，導(dǎo)彈最大加速度在不噴水工況下為225m/s2，在噴水工況下為125m/s2，可見，噴水降低了彈射過(guò)程中的導(dǎo)彈最大加速度.從速度v的曲線可以看出，導(dǎo)彈的出筒速度在不噴水工況下為36m/s，在噴水工況下為27m/s，可見，噴水降低了導(dǎo)彈的出筒速度.由彈射內(nèi)彈道曲線分析可以發(fā)現(xiàn)，噴水工況可以降低彈射過(guò)程中導(dǎo)彈的最大加速度和出筒速度，同時(shí)延遲了導(dǎo)彈的出筒時(shí)間.

圖6　彈射內(nèi)彈道參數(shù)變化曲線

5　結(jié)論

研究了噴水對(duì)燃?xì)?蒸汽彈射流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明噴水可以使得彈射裝置內(nèi)高溫燃?xì)鈪^(qū)域發(fā)生偏移.研究了噴水對(duì)發(fā)射筒內(nèi)載荷的影響，結(jié)果表明噴水可以使得發(fā)射筒內(nèi)最大溫度降低1500K，壓力降低3.2MPa.研究了噴水對(duì)彈射內(nèi)彈道的影響，結(jié)果表明噴水工況降低了導(dǎo)彈的最大加速度和出筒速度，同時(shí)延遲了導(dǎo)彈的出筒時(shí)間.

〔1〕李咸海，王俊杰.潛射導(dǎo)彈發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.

〔2〕呂翔，李江，魏祥庚，張保慶.變深度模擬發(fā)射實(shí)驗(yàn)導(dǎo)彈出筒速度測(cè)量方法［J］.固體火箭技術(shù)，2011，34（2）:265-268.

〔3〕肖虎斌，趙世平.燃?xì)?蒸汽式發(fā)射動(dòng)力裝置復(fù)雜內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.固體火箭技術(shù)，2009，32（4）:35-38.

〔4〕陳慶貴，齊強(qiáng)，周源，趙汝巖.發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)彈道優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33（5）:91-93.

〔5〕胡曉磊，樂貴高，馬大為，李仁鳳.水下燃?xì)?蒸汽彈射氣-液兩相流場(chǎng)數(shù)值研究［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015，30（1）:164-172.

〔6〕Jiang Yi，Ma Yanli，Wang Weichen，Shao Liwu.InhibitionEffectofWaterInjectiononAfterburningof Rocket Motor Exhaust Plume［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2010，23（6）:653-659.

TJ762.3

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