新型車載同心筒流場(chǎng)機(jī)理與熱環(huán)境研究①

楊風(fēng)波，馬大為，任 杰，樂(lè)貴高，聶 赟

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.北京機(jī)電工程總體設(shè)計(jì)部，北京 100854)

0 引言

同心筒自力發(fā)射系統(tǒng)具有獨(dú)立的燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)、良好的兼容性、較小的過(guò)載量、簡(jiǎn)便的維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，符合未來(lái)發(fā)射系統(tǒng)快速、全方位無(wú)死角打擊的發(fā)展趨勢(shì)，在艦載[1]、潛載[2]傳統(tǒng)通用發(fā)射系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，但傳統(tǒng)同心筒一般內(nèi)置于艦艇或潛艇，這限制了其優(yōu)點(diǎn)的充分發(fā)揮。目前，將同心筒應(yīng)用到路基車載武器中也成為武器系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，而車載武器系統(tǒng)起豎后，同心筒直接外置于大氣中，這為其熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)彈和發(fā)射系統(tǒng)熱環(huán)境改善提供了更多可能。

同心筒發(fā)射裝置及導(dǎo)彈會(huì)承受高溫高速燃?xì)馍淞鞯膹?qiáng)熱沖擊和動(dòng)力沖擊，這對(duì)發(fā)射裝置的工作性能和導(dǎo)彈的熱安全提出了重大挑戰(zhàn)。目前，針對(duì)艦載和潛載同心筒自力發(fā)射方案，國(guó)內(nèi)在這方面跟進(jìn)國(guó)外進(jìn)展，做了很多理論探索與實(shí)驗(yàn)研究，致力于改善同心筒和導(dǎo)彈的熱環(huán)境。苗佩云和袁曾鳳[3-4]研究了開蓋技術(shù)，分析了同心筒內(nèi)外間隙、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)距筒底距離等參數(shù)對(duì)筒內(nèi)流場(chǎng)的影響，但其數(shù)值求解多采用靜態(tài)計(jì)算，沒(méi)有揭示動(dòng)態(tài)的流場(chǎng)機(jī)理；傅德彬等[5]利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了同心筒自力發(fā)射過(guò)程中燃?xì)馍淞髁鲌?chǎng)，沒(méi)有分析燃?xì)馀艑?dǎo)機(jī)理；姜毅等[6-7]進(jìn)行了數(shù)值模擬工作和實(shí)驗(yàn)研究，提出了“引射同心筒”概念；馬艷麗等[8]對(duì)“濕式同心筒”的降溫效果進(jìn)行了研究，探索了用在筒底加水的方式來(lái)降低出口燃?xì)鉁囟?；于勇等[9]利用拉瓦爾噴管加速的原理，提出了一種外筒“變截面同心筒”；侯金瑛等[10]研究了水下同心筒發(fā)射燃?xì)饬骱退旌?、汽化的?wèn)題。從現(xiàn)有研究進(jìn)展來(lái)看，基于路基車載同心筒自力發(fā)射系統(tǒng)的流場(chǎng)機(jī)理及熱環(huán)境特性研究鮮見報(bào)道。

本文基于二階AUSM格式、RNGk-ε模型，并結(jié)合動(dòng)態(tài)分層網(wǎng)格，以某基準(zhǔn)同心筒為參照，研究高導(dǎo)流錐、筒底折角伸縮段及筒口導(dǎo)流板對(duì)同心筒自力發(fā)射裝置排導(dǎo)性能、內(nèi)外筒流場(chǎng)機(jī)理以及導(dǎo)彈和內(nèi)外筒的熱環(huán)境的影響，給出熱環(huán)境友好的優(yōu)化方案。結(jié)合該優(yōu)化方案，提出一種全新的適合車載路基發(fā)射的同心筒概念，為車載路基導(dǎo)彈發(fā)射提供了一種新思路，并分析其流場(chǎng)機(jī)理與熱環(huán)境特性。通過(guò)求解N-S方程，實(shí)現(xiàn)若干方案的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬來(lái)摸索若干結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)機(jī)理與熱環(huán)境特性的影響。

1 流體模型與數(shù)值計(jì)算方法

1.1 流體基本控制方程與湍流模型

本文進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值計(jì)算，伴隨著控制體的運(yùn)動(dòng)、生成與消失，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)描述宜采用任意拉格朗日歐拉方法(ALE)。在忽略化學(xué)反應(yīng)的假設(shè)下，考慮燃?xì)夂涂諝饣旌系腁LE形式軸對(duì)稱Navier-Stokes方程組的守恒形式可表述為

(1)

其中：

E=ρe+ρ(u2+v2)/2

式中t為時(shí)間變量；ρi(i=1，2)為組分密度；ρ為混合氣體密度；u、v分別為x、y方向速度分量；p為混合氣體壓強(qiáng)，對(duì)于理想氣體滿足狀態(tài)方程p=(γ-1)ρe；Di為組分?jǐn)U散系數(shù)；uw、vw為控制體表面速度；γ為比熱比；τ為粘性應(yīng)力張量；e為混合氣體單位質(zhì)量?jī)?nèi)能；E為混合氣體單位體積總能量；hi為組分單位體積焓；h為混合氣體單位體積總焓；ω為組分質(zhì)量生成率。

本文采用文獻(xiàn)[9]中的湍流模型。

1.2 計(jì)算方法與邊界條件

本文對(duì)于控制方程組的求解，方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階AUSM格式，而粘性項(xiàng)采用中心差分格式，為匹配高階格式，時(shí)間項(xiàng)則取二階R-K格式。入流條件由流動(dòng)條件給出；外部邊界條件分2種情況處理，若流動(dòng)為超音速時(shí)按一階外推，若流動(dòng)為亞音速時(shí)，按壓力條件；在壁面上按固壁邊界條件給出；流場(chǎng)初值賦大氣條件。

2 模型描述

典型同心筒結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)筒、外筒、筒底半圓形端蓋和內(nèi)外筒輔助支撐組成。本文以經(jīng)典同心筒結(jié)構(gòu)為參照，分別增加了高導(dǎo)流錐、內(nèi)筒折角收縮段、筒口導(dǎo)流板，分析各結(jié)構(gòu)提高排導(dǎo)性能、改善導(dǎo)彈熱環(huán)境的效果。針對(duì)路基車載發(fā)射環(huán)境，提出一種新型同心筒自力發(fā)射系統(tǒng)。各方案如表1所示。

表1 同心筒自力發(fā)射熱結(jié)構(gòu)方案

圖1、圖2分別給出了傳統(tǒng)同心筒優(yōu)化結(jié)構(gòu)和路基車載同心筒自力發(fā)射結(jié)構(gòu)方案。路基車載方案中，內(nèi)筒和外筒上部結(jié)構(gòu)做成一體，中部有導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該方案具有完全軸對(duì)稱性質(zhì)。因此，取二維軸對(duì)稱流場(chǎng)為研究對(duì)象。

圖1 傳統(tǒng)優(yōu)化同心筒示意圖

圖2 新型同心筒結(jié)構(gòu)方案

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

3.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文采用的數(shù)值方法的可靠性，采用本文的二階AUSM數(shù)值格式，對(duì)文獻(xiàn)[12]中超聲速伴隨射流進(jìn)行了相同計(jì)算條件下的對(duì)比研究。

圖3給出了超聲速伴隨射流計(jì)算密度和壓力等值線。從圖3可看出，超聲速來(lái)流強(qiáng)烈壓縮噴口射流，出現(xiàn)兩道斜激波、射流激波。從密度等值線可看出，斜激波和入射激波中間存在兩道間斷，而壓力等值線中無(wú)間斷產(chǎn)生，故該間斷為接觸間斷。第一道斜激波后伴隨有膨脹扇產(chǎn)生，第二道斜激波下方的射流激波受壓縮遇到中心軸線發(fā)生反射，反射激波和接觸間斷相交，馬赫盤結(jié)構(gòu)消失。

通過(guò)對(duì)比分析可看出，數(shù)值模擬的波系結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)特征和試驗(yàn)紋影圖吻合良好，說(shuō)明本文采用的數(shù)值格式在比常規(guī)射流復(fù)雜的超聲速伴隨射流中也是可靠的，適用于本文帶燃?xì)獾耐耐擦鲌?chǎng)分析。

(a)密度等直線

(b)壓力等直線

(c)實(shí)驗(yàn)紋影圖[12]

3.2 同心筒流場(chǎng)機(jī)理對(duì)比分析

同心筒由于發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特殊，其流場(chǎng)機(jī)理較復(fù)雜。圖4中列出了方案5、4和方案2中彈底觀測(cè)面的溫度變化規(guī)律，所有方案中，導(dǎo)彈底部觀測(cè)面均呈現(xiàn)出溫度先上升，后下降，然后再上升的燃?xì)鉄g過(guò)程。結(jié)合圖5給出的方案4、3(各方案規(guī)律類似)一些時(shí)刻的速度矢量圖，可從以下方面來(lái)解釋：在發(fā)射初期，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，大量高溫高速燃?xì)庠谕驳谉o(wú)法迅速排完，出現(xiàn)激波、反射激波等復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒的壓力均高于外界壓力，所有方案中均出現(xiàn)內(nèi)筒向外排氣的“引射效應(yīng)”(內(nèi)筒燃?xì)馑俣认蛏?，如圖5(a)、(b)所示，而筒底的反濺流加劇了內(nèi)筒的“引射”效應(yīng)，導(dǎo)彈底部被燃?xì)獍鼑瑹岘h(huán)境趨于惡劣；隨著導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)，筒底波系結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，并伴隨著大量燃?xì)馀诺綄?dǎo)彈上方，彈底部的氣流速度和彈頂相反，但由于彈底氣流速度遠(yuǎn)大于彈頂對(duì)應(yīng)的氣流速度，所以彈頂、彈底出現(xiàn)了壓力差，且彈頂壓力更大，出現(xiàn)了氣流流向內(nèi)筒底部的“倒吸”現(xiàn)象，如圖5(c)～(e)所示，內(nèi)筒有部分冷氣體，所以倒吸初期，彈底被迅速降溫(見圖4)，也說(shuō)明初始內(nèi)筒高溫燃?xì)鉀](méi)有被引射到內(nèi)筒口。到后期，由于熱結(jié)構(gòu)的不同，筒口熱環(huán)境有異，回流氣體溫度有差別，導(dǎo)彈所處熱環(huán)境就不一樣，但溫度都出現(xiàn)了不同程度的反彈(見圖4)。

圖4 方案2、4、5觀測(cè)壁3溫度時(shí)程曲線

本文的分析與文獻(xiàn)[7]提出的觀點(diǎn)“由于筒口排出的燃?xì)鈱?duì)導(dǎo)彈與內(nèi)筒之間的燃?xì)庥袕?qiáng)引射效應(yīng)，筒口壓力降低，將筒底燃?xì)馕蛲部冢馔才c內(nèi)筒兩路反射高溫燃?xì)獍鼘?dǎo)彈，使得導(dǎo)彈被高溫燃?xì)獍鼑毕喾?，本文發(fā)射前期內(nèi)筒氣流沒(méi)有被“引射”到筒口，后期筒口的氣流被“倒吸”至內(nèi)筒。

3.3 同心筒熱環(huán)境特性對(duì)比分析

發(fā)射裝置的流場(chǎng)機(jī)理直接影響其熱環(huán)境特性，3.2節(jié)的分析顯示，各方案流場(chǎng)規(guī)律基本一致，但不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)變化強(qiáng)弱不一樣。圖6給出了方案1、2中，0.25 s時(shí)刻內(nèi)、外流場(chǎng)的溫度分布情況，高溫燃?xì)饬髟趶楊^部相交，彈頭幾乎被高溫燃?xì)馐?。從圖6中可看出，0.25 s時(shí)刻，方案2內(nèi)筒和導(dǎo)彈的熱環(huán)境整體優(yōu)于方案1，方案2外筒溫度明顯低于方案1對(duì)應(yīng)的溫度，兩方案內(nèi)筒和導(dǎo)彈下半段溫度基本一致，但是方案1彈頂溫度明顯低于方案2對(duì)應(yīng)溫度，結(jié)合3.2節(jié)的分析，可從以下方面解釋：結(jié)合圖4可看出，在0.25 s時(shí)刻，兩方案均處于筒口氣流被“倒吸”到內(nèi)筒底部的階段；方案2中高導(dǎo)流錐加速了燃?xì)饬鞯呐艑?dǎo)，相同時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)外筒排導(dǎo)到筒口的燃?xì)饬扛?，且具有更高速度；這樣使得方案2中筒口具有更多高溫燃?xì)?，同時(shí)其筒口與筒底壓強(qiáng)差更大，最終通過(guò)“倒吸”效應(yīng)進(jìn)入到方案2內(nèi)筒的燃?xì)饬扛?，使得方?內(nèi)筒熱環(huán)境稍惡劣于方案1?？煽闯?，方案2具有更好的排導(dǎo)性能，但無(wú)法抑制反濺流與高溫氣流的“倒吸”效應(yīng)。

(a)方案4筒口0.024 s時(shí)刻

(b)方案4筒底0.024 s時(shí)刻

(c)方案4筒口0.09 s時(shí)刻

(d)方案4筒底0.09 s時(shí)刻

(e)方案3筒底0.25 s時(shí)刻

(a)方案1 (b)方案2

為更好分析各方案的熱環(huán)境，圖7給出了方案組合的溫度分布圖。圖8～圖10給出了不同方案組合在不同觀測(cè)壁的溫度時(shí)程曲線。

方案4為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，增加了帶折角的筒底伸縮段和筒口導(dǎo)流板， 2種結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)特性與熱環(huán)境的綜合影響如圖7(a)所示。結(jié)合3.2節(jié)的分析可知，0.5 s時(shí)刻，“倒吸效應(yīng)”明顯，筒口導(dǎo)流板將燃?xì)饬饔行У呐诺酵耐仓車?，倒吸進(jìn)入內(nèi)筒的氣流溫度低很多。圖8顯示，導(dǎo)彈周圍氣流降到800 K左右，導(dǎo)彈的熱安全性得到有力提高；同時(shí)，外筒的熱環(huán)境也得到進(jìn)一步改善。如圖10所示，外筒觀測(cè)面溫度降到2 300 K左右。

從圖7(d)可看出，在同心筒底部，方案5的排導(dǎo)更為順暢；對(duì)于方案4，導(dǎo)彈底部溫度明顯低于導(dǎo)彈中上部溫度，這說(shuō)明導(dǎo)流器設(shè)計(jì)、伸縮段結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)彈距筒底的距離的優(yōu)化組合是合理的，也說(shuō)明方案4中的筒口高溫燃?xì)饬鳌暗刮毙?yīng)仍沒(méi)有得到很好抑制。從圖7(b)可看出，在導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)0.5 s后，本文針對(duì)路基車載發(fā)射環(huán)境提出的方案5中，發(fā)射筒底部，導(dǎo)彈底部，彈頭部位熱環(huán)境均優(yōu)良。圖9(b)顯示，導(dǎo)彈底部觀測(cè)面溫度幾乎接近300 K，發(fā)射筒口高溫氣流的“倒吸”效應(yīng)也得到了很好的抑制。圖7(c)方案4中，由于筒口燃?xì)饬鳑](méi)有被很好排導(dǎo)，高溫燃?xì)饬鞅坏刮雰?nèi)筒。圖8和圖9(b)顯示，彈頂和彈底熱環(huán)境較差，溫度接近800 K。說(shuō)明本文針對(duì)路基車載特定的發(fā)射環(huán)境提出的方案5熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，內(nèi)、外筒及導(dǎo)彈的熱環(huán)境優(yōu)良，優(yōu)于傳統(tǒng)同心筒優(yōu)化方案。

(a)方案4、2在0.5 s

(b)方案5在0.5 s

(c)方案4在0.5 s

(d)方案5、4在0.25 s

(e)方案5、4在0.5 s

圖8 方案3、4、5彈頂觀測(cè)面4溫度時(shí)程曲線

戰(zhàn)斗部是導(dǎo)彈毀傷目標(biāo)的最終毀傷單元，確保其熱安全是發(fā)射裝置熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。圖8給出了方案3～5彈頂觀測(cè)面的溫度時(shí)程曲線。方案3中，彈一直被高溫燃?xì)馐?，彈頂處于高溫狀態(tài)；方案4為傳統(tǒng)同心筒模型的優(yōu)化方案，彈頂熱環(huán)境較優(yōu)良，在800 K左右震蕩；提出的方案5彈頂溫度上升最慢，且隨后逐步下降到最低。

圖9為方案4、5在觀測(cè)壁1、2的溫度對(duì)比時(shí)程曲線。方案5對(duì)應(yīng)溫度最高值最小，溫度最低值最小，且離彈底距離越遠(yuǎn)，其熱環(huán)境越優(yōu)；在排導(dǎo)初期，2個(gè)方案在2個(gè)觀測(cè)面的溫度均能較快降下來(lái)，其中方案5先降下來(lái)，說(shuō)明導(dǎo)流錐與伸縮段折角設(shè)計(jì)合理，能實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬骺焖夙槙撑艑?dǎo)；在導(dǎo)彈發(fā)射后期，2種方案均有不同程度的倒吸效應(yīng)，導(dǎo)彈底部溫度有局部回升，方案4倒吸氣流溫度更高，呈現(xiàn)震蕩上升趨勢(shì)，方案5的熱環(huán)境更優(yōu)，雖然在小時(shí)間范圍導(dǎo)彈下端的溫度略高于方案4的對(duì)應(yīng)溫度，但隨著導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)，彈底部的溫度已明顯更低。另外，在2個(gè)觀測(cè)面上，方案5中溫度對(duì)時(shí)間的積分值都更小，燃?xì)饬鲗?duì)導(dǎo)彈的燒蝕效應(yīng)最小，且隨著導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)，從圖7(e)對(duì)比的流場(chǎng)發(fā)展規(guī)律來(lái)看，這種效果會(huì)越來(lái)越明顯。

圖10為方案4、5中外筒觀測(cè)面的溫度曲線。排導(dǎo)趨于穩(wěn)定后，方案5該觀測(cè)面基本能保持在2 250 K左右。與文獻(xiàn)[7]對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文提出的方案5和“引射同心筒”內(nèi)筒熱環(huán)境基本相當(dāng)(300 K左右)，但方案5外筒熱環(huán)境比文獻(xiàn)[7]中引射同心筒熱環(huán)境(2 700 K)更好，這可能是由于“引射效應(yīng)”擾動(dòng)了外筒排氣流場(chǎng)環(huán)境。

(a)方案4、5在觀測(cè)壁1

(b)方案4、5在觀測(cè)壁2

圖10 方案4、5外筒觀測(cè)面溫度時(shí)程曲線

4 結(jié)論

(1)為了對(duì)傳統(tǒng)同心筒進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究了多種結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)機(jī)理和熱環(huán)境特性的影響，對(duì)比分析的結(jié)果表明，高導(dǎo)流錐能實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬鞯捻槙撑艑?dǎo)，筒底折角伸縮段能有效遮擋反濺流，筒口導(dǎo)流板能較好改善筒口熱環(huán)境，改善高溫氣流的“倒吸效應(yīng)”，文中動(dòng)態(tài)流場(chǎng)未出現(xiàn)文獻(xiàn)[7]提出的“內(nèi)、外筒高溫引射氣流共同包裹導(dǎo)彈”的共性問(wèn)題。

(2)針對(duì)路基車載發(fā)射方式，結(jié)合傳統(tǒng)同心筒優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了新型同心筒概念，解決了路基車載導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中，高溫燃?xì)饬鳌暗刮?yīng)”導(dǎo)致的導(dǎo)彈及發(fā)射裝置熱環(huán)境惡劣的工程難題。

(3)新型路基車載同心筒中，倒吸進(jìn)入內(nèi)筒的為低溫氣體，對(duì)導(dǎo)彈起到了很好的氣冷保護(hù)作用，導(dǎo)彈中下部熱環(huán)境友好，導(dǎo)彈頂部后期也基本維持400 K的低溫(在800 K以下的安全范圍)，內(nèi)筒溫度幾乎能維持在300 K，倒吸冷氣流改善了外筒熱環(huán)境，外筒溫度基本維持在2 250 K左右(低于2 700 K)。表明本文針對(duì)路基車載發(fā)射模式提出的方案5是合理的，熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的。

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