意外點(diǎn)火時(shí)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)流場(chǎng)仿真分析

趙賢超

（92941部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001）

0 引 言

導(dǎo)彈意外點(diǎn)火是一種災(zāi)難性的事故，可導(dǎo)致發(fā)射裝置甚至載艦遭到毀滅性的破壞。為最大限度地降低這種事故帶來(lái)的危害，在發(fā)射裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中必須確保燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)能將導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的高溫有毒燃?xì)獍踩煽康嘏懦雠撏猓员ＷC發(fā)射裝置內(nèi)未點(diǎn)火箱彈以及發(fā)射裝置和載艦的安全。因此，為確保導(dǎo)彈意外點(diǎn)火后不會(huì)對(duì)相鄰箱彈和發(fā)射裝置產(chǎn)生不利影響，對(duì)整個(gè)載艦的安全構(gòu)成威脅，在發(fā)射裝置設(shè)計(jì)時(shí)，有必要考慮意外點(diǎn)火情況下燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)饬鲌?chǎng)的分布特性。

為研究導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)饬鞯膭?dòng)態(tài)特性，以八隔艙艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置為例，對(duì)導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的燃?xì)饬鲌?chǎng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)部分排氣蓋被漲破后的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，確定了燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)在不同時(shí)刻的壓強(qiáng)載荷特性，為垂直發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)提供了理論參考。

1 計(jì)算模型

1.1 控制方程

導(dǎo)彈點(diǎn)火時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)噴出高溫、高速氣固兩相燃?xì)饬?。為了?jiǎn)化計(jì)算，不考慮燃?xì)庵泄腆w顆粒的影響。三維、雷諾平均的Navier－Stokes方程組如下：

質(zhì)量守恒方程為：

動(dòng)量守恒方程為：

能量守恒方程為：

方程中，ρ，u，p，E分別為燃?xì)饬髅芏取⑺俣仁噶?、壓力和總能?/p>

以有限體積法為基礎(chǔ)，湍流模型采用k－ε二方程模型：

湍流粘性系數(shù)為：

1.2 物理模型

采用的模型與美國(guó)MK－41垂直發(fā)射裝置相似。垂直發(fā)射裝置燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)由壓力室、排氣道和排氣蓋三部分組成。壓力室分為8個(gè)發(fā)射位，平時(shí)用密封蓋密封，戰(zhàn)時(shí)每個(gè)發(fā)射位上可安裝一枚箱彈（見(jiàn)圖1）。8個(gè)發(fā)射位分為兩排，中間與排氣道相連。發(fā)射位內(nèi)裝有導(dǎo)流板以便于燃?xì)忭樌麖呐艢獾懒鞒?。排氣蓋為易碎蓋，由多塊獨(dú)立的小蓋體組成（見(jiàn)圖2），當(dāng)某塊小蓋體上的壓強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，該塊小蓋體可被沖破，實(shí)現(xiàn)了排氣蓋的被動(dòng)打開(kāi)。

圖1 垂直發(fā)射裝置示意圖Fig.1 Sketch of VLS

導(dǎo)彈發(fā)生意外點(diǎn)火時(shí)，發(fā)射裝置排氣蓋和彈艙蓋處于關(guān)閉狀態(tài)?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馐紫葲_開(kāi)發(fā)射箱后蓋進(jìn)入壓力室，在壓力室內(nèi)經(jīng)導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)180°后經(jīng)排氣道排出發(fā)射裝置。在此過(guò)程中，燃?xì)饬鲏簭?qiáng)直接作用在其余壓力室密封蓋和排導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)壁上。

實(shí)際導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部燃?xì)饬鲃?dòng)是復(fù)雜的三維流動(dòng)，在對(duì)排導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)饬鲏簭?qiáng)分布特性進(jìn)行分析時(shí)，要區(qū)分排氣蓋被漲破前后排導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)的不同狀態(tài)。

排氣蓋未被漲破前，對(duì)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)物理模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

（a）除發(fā)射位外，其它隔艙壓力室密封蓋均封閉；

（b）意外點(diǎn)火導(dǎo)彈的發(fā)射箱后蓋已打開(kāi)；

（c）忽略導(dǎo)彈所有外突部件（折疊翼、電纜罩等）對(duì)燃?xì)饬鲌?chǎng)的影響，導(dǎo)彈用一圓柱體等效；

（d）忽略導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的影響，假設(shè)導(dǎo)彈在發(fā)射箱內(nèi)保持靜止。

當(dāng)排氣蓋被燃?xì)鉂q破時(shí)，除被漲破排氣蓋小蓋體外，其它排氣蓋小蓋體均為關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，可根據(jù)排氣蓋未漲破前的模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)排氣蓋上小蓋體被漲破1塊、2塊等多種不同狀態(tài)分別建立模型進(jìn)行計(jì)算。

2 模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫高壓超聲速流中不僅含有大量的固體顆粒，且本身成分復(fù)雜。在燃?xì)鈬娚溥^(guò)程中常伴隨著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，甚至出現(xiàn)二次燃燒。在計(jì)算過(guò)程中對(duì)燃?xì)饬髯魅缦录僭O(shè)：

（a）燃?xì)饬魇切再|(zhì)單一、均勻混合的氣體，各成分之間無(wú)化學(xué)反應(yīng)；

（b）忽略固體粒子的影響和粒子與燃?xì)獾膭?dòng)量交換和能量交換；

（c）燃?xì)饬鞯奈锢碚承韵禂?shù)符合Sutherland定律。

2.2 邊界條件

邊界條件有3種：壁面邊界條件、入口邊界條件和出口邊界條件。

從導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)噴管收縮段開(kāi)始計(jì)算。入口總溫為氣體的定壓燃燒溫度，總壓為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)。

對(duì)于排氣蓋未被漲破的狀態(tài)，發(fā)射裝置的排氣蓋和彈艙蓋均處于關(guān)閉狀態(tài)，所以為無(wú)出口邊界條件。除入口邊界條件外，其它所有區(qū)域的邊界條件均為壁面邊界條件。

對(duì)于排氣蓋被漲破后的狀態(tài)，在被漲破蓋體處設(shè)長(zhǎng)×寬×高為5m×5m×8m的擴(kuò)展區(qū)域。擴(kuò)展區(qū)域邊界壓強(qiáng)為環(huán)境壓強(qiáng)（一個(gè)大氣壓）。

所有燃?xì)馀艑?dǎo)裝置壁面處設(shè)置成無(wú)滑移的絕熱固壁邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算過(guò)程中，分別在排氣蓋與壓力室密封蓋上選取P1～P15共15點(diǎn)、在排氣道內(nèi)壁和壓力室內(nèi)壁上選取P16、P17兩點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖2）。

圖2 計(jì)算點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution of calculation position

導(dǎo)彈意外點(diǎn)火后，燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)應(yīng)該在很短的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)，為燃?xì)饬魈峁┡艑?dǎo)通道。另外，相同時(shí)刻只有排氣道內(nèi)壁和壓力室密封蓋上的壓強(qiáng)低于排氣蓋上壓強(qiáng)時(shí)，才能使排氣蓋最先被燃?xì)饬鳑_開(kāi)，保證燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)安全和功能的實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于排導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)饬鞯姆抡?，首先假設(shè)排氣蓋承受的最大壓強(qiáng)為0.2MPa，而排氣道和壓力室密封蓋能承受的最大壓強(qiáng)大于0.2MPa，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)意外點(diǎn)火后，導(dǎo)彈還沒(méi)有運(yùn)動(dòng)前，由于燃?xì)饬鞯淖饔?，作用在排氣蓋上的壓力先達(dá)到0.2MPa時(shí)，排氣蓋被動(dòng)打開(kāi)。

圖3 燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)內(nèi)不同位置壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation of the pressure with time of different position in gas exhaust

經(jīng)計(jì)算，在意外點(diǎn)火情況下，排氣蓋上P13～P15點(diǎn)所在位置的壓強(qiáng)首先達(dá)到破壞壓強(qiáng)0.2MPa。因此，在計(jì)算過(guò)程中，分別對(duì)該位置排氣蓋小蓋體被漲破1塊、2塊和3塊等狀態(tài)下燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部不同位置的壓強(qiáng)進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行了對(duì)比。由計(jì)算結(jié)果分析可知：

（1）在導(dǎo)彈意外點(diǎn)火后，燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)隨著時(shí)間逐步上升。在0.245s時(shí)刻，排氣蓋開(kāi)始受燃?xì)饬鞯淖饔茫谙嗤瑫r(shí)刻排氣道和壓力室內(nèi)的壓強(qiáng)低于排氣蓋上壓強(qiáng)（見(jiàn)圖3）。由圖4可以看出，在導(dǎo)彈點(diǎn)火后0.322s，排氣蓋上P14點(diǎn)所受向上的作用壓力就達(dá)到了0.2MPa，導(dǎo)致該點(diǎn)處的排氣蓋蓋體被沖破，隨著排氣蓋壓強(qiáng)的繼續(xù)增加，其它小蓋體上的壓強(qiáng)將超過(guò)0.2MPa，造成排氣蓋小蓋體繼續(xù)被漲破。圖5所示為0.322s時(shí)P1～P7點(diǎn)所在壓力室密封蓋上的壓強(qiáng)分布圖，可以看出，P7和P3點(diǎn)所處壓力室壓強(qiáng)較大。

圖5 t＝0.322s時(shí)壓力室密封蓋壓強(qiáng)分布圖Fig.5 Distribution of pressure on cabin strip when t＝0.322s

圖6 0.322s后燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)內(nèi)不同位置壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Variation of the pressure with time of different position in VLS after 0.322s

（2）圖6所示為排氣蓋被部分漲破后排導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部不同位置壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線?？梢钥闯?，燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部不同位置壓強(qiáng)與排氣蓋狀態(tài)有關(guān)。在排氣蓋小蓋體被漲破1塊的情況下，排氣蓋未破蓋體上的壓強(qiáng)仍然繼續(xù)增加，只是增加幅度變?。辉谂艢馍w小蓋體被漲破2塊的情況下，排氣蓋未破小蓋體上的壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定，維持在0.2MPa附近震蕩，在這種狀態(tài)下，排氣蓋蓋體仍然會(huì)繼續(xù)漲破；當(dāng)排氣蓋小蓋體被漲破3塊后，排氣蓋未破小蓋體上的壓強(qiáng)開(kāi)始降低。排氣蓋被漲破以后，壓力室密封蓋所受壓強(qiáng)并不立刻受其影響，它要遲滯一段時(shí)間（大約9ms），在這段時(shí)間內(nèi)，壓力室密封蓋壓強(qiáng)保持以前的規(guī)律繼續(xù)增加，之后，其壓強(qiáng)變化規(guī)律與排氣蓋上的變化規(guī)律趨于一致。而排氣道內(nèi)壁和壓力室內(nèi)壁則不同，只要排氣蓋上有1塊小蓋體被漲破，排氣道內(nèi)壁和壓力室內(nèi)壁上的壓強(qiáng)在約10ms的時(shí)間內(nèi)保持排氣蓋未漲破前的增加趨勢(shì)，然后壓強(qiáng)就開(kāi)始降低。

4 結(jié) 論

成功地采用了求解三維、雷諾平均N－S方程的方法，對(duì)艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)在導(dǎo)彈意外點(diǎn)火情況下燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)內(nèi)的燃?xì)饬鲌?chǎng)進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，獲得了排導(dǎo)系統(tǒng)在排氣蓋被漲破前后的壓強(qiáng)載荷特性。計(jì)算結(jié)果表明：在導(dǎo)彈發(fā)生意外點(diǎn)火情況下，排氣蓋可以迅速被動(dòng)打開(kāi)，為安全、迅速排導(dǎo)燃?xì)馓峁┝送ǖ?，?shí)現(xiàn)了排導(dǎo)系統(tǒng)的功能，保證了發(fā)射裝置和載艦的安全。

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