新型優(yōu)化同心筒自力發(fā)射流場機(jī)理與降溫效果*

楊風(fēng)波，馬大為，樂貴高，夏倩倩，胡曉磊

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

新型優(yōu)化同心筒自力發(fā)射流場機(jī)理與降溫效果*

楊風(fēng)波，馬大為，樂貴高，夏倩倩，胡曉磊

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

針對(duì)同心筒自力發(fā)射結(jié)構(gòu)優(yōu)化與熱環(huán)境改善的問題，基于雷諾平均方程及軸對(duì)稱N-S方程，依托彈性變形和網(wǎng)格再生成方法結(jié)合的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)形式同心筒發(fā)射裝置的二維軸對(duì)稱流場進(jìn)行了非定常數(shù)值計(jì)算，得到了不同結(jié)構(gòu)條件下動(dòng)態(tài)的流場機(jī)理及導(dǎo)彈熱環(huán)境特性。計(jì)算結(jié)果顯示：導(dǎo)流器方案能實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬餮杆夙樌艑?dǎo)；筒底收縮段設(shè)計(jì)能有效遮擋反濺燃?xì)饬?；筒口?dǎo)流板結(jié)構(gòu)較好抑制了內(nèi)筒的“倒吸效應(yīng)”，確保導(dǎo)彈和內(nèi)筒的熱安全；揭示了優(yōu)化同心筒的流場結(jié)構(gòu)與降溫機(jī)理，可為相關(guān)研究提供參考。

同心筒發(fā)射裝置，燃?xì)馍淞?，流場機(jī)理，熱環(huán)境特性

0 引言

同心筒自力發(fā)射系統(tǒng)是一種先進(jìn)的發(fā)射裝置，其具有獨(dú)立的燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)、良好的兼容性、較小的過載量、簡便的維護(hù)保障等優(yōu)點(diǎn)，符合未來發(fā)射系統(tǒng)快速、全方位無死角打擊的發(fā)展趨勢(shì)，在艦載［1］、潛載［2］通用發(fā)射系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，我國也有技術(shù)跟進(jìn)發(fā)展。但同心筒發(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)。對(duì)同心筒發(fā)射裝置進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善熱環(huán)境，確保導(dǎo)彈與發(fā)射系統(tǒng)的熱安全，一直是科研工作者致力于解決的問題之一。

目前，針對(duì)同心筒自力發(fā)射方案，國外做了數(shù)值模擬和大量實(shí)驗(yàn)研究，國內(nèi)在這方面跟進(jìn)國外進(jìn)展，做了很多理論探索與實(shí)驗(yàn)研究。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、導(dǎo)流型面半徑等參數(shù)對(duì)筒內(nèi)流場的影響，但其數(shù)值求解多采用靜態(tài)計(jì)算，沒有揭示流場機(jī)理；傅德彬［5］等利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了同心筒自力發(fā)射過程中燃?xì)馍淞髁鲌?，沒有分析排導(dǎo)機(jī)理。從現(xiàn)有研究進(jìn)展來看，通過分析不同結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的流場結(jié)構(gòu)，進(jìn)行燃?xì)馀艑?dǎo)降溫機(jī)理與效果的研究鮮見報(bào)道。

本文基于軸對(duì)稱N-S方程、RNG k-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，分別研究了改進(jìn)導(dǎo)流錐、筒底伸縮擋流板及筒口導(dǎo)流板對(duì)同心筒自力發(fā)射裝置排導(dǎo)性能、內(nèi)外筒流場機(jī)理以及導(dǎo)彈和內(nèi)外筒的熱環(huán)境的影響分別進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示本文提出的優(yōu)化熱結(jié)構(gòu)模型中導(dǎo)彈及內(nèi)、外筒的熱環(huán)境優(yōu)良，表明該同心筒自力發(fā)射裝置熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的。

1 流體模型與數(shù)值計(jì)算方法

1.1 流體基本控制方程

在忽略化學(xué)反應(yīng)和熱傳導(dǎo)的假設(shè)下，軸對(duì)稱流動(dòng)Navier-Stokes方程組的守恒形式可以表述為：

Hv是粘性通量軸對(duì)稱源相，具體形式參考文獻(xiàn)［7］；t是時(shí)間變量；ρ為密度；u、v分別為x、y方向速度分量；p為壓強(qiáng)，對(duì)于理想氣體滿足狀態(tài)方程p=（γ-1）ρe；γ是比熱比；為粘性應(yīng)力張量；e為單位質(zhì)量內(nèi)能；E為單位體積總能量；h為單位體積總焓。

1.2 湍流模型

上世紀(jì)70年代，美國物理學(xué)家Wilson把量子場論中的重正化群（簡稱RNG）方法創(chuàng)造性地運(yùn)用到相變理論研究中，因此，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。80年代中期，Yakhot和Orszag［8］在總結(jié)前人基礎(chǔ)上，首先系統(tǒng)利用RNG方法分析湍流場，許多學(xué)者多起進(jìn)行了修正與發(fā)展，本文采用如下RNG k-e湍流模型［9］。

1.3 計(jì)算方法

本文對(duì)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。

2 數(shù)學(xué)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)筒收縮段、筒口導(dǎo)流板，并進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了各結(jié)構(gòu)對(duì)排導(dǎo)性能及導(dǎo)彈熱環(huán)境的影響。

表1 同心筒自力發(fā)射熱結(jié)構(gòu)方案

圖1 方案2結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 方案3優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 、圖2分別給出了傳統(tǒng)同心筒結(jié)構(gòu)方案和優(yōu)化改進(jìn)后的同心筒自力發(fā)射結(jié)構(gòu)方案的結(jié)構(gòu)示意圖。

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

3.1 發(fā)射裝置流場機(jī)理分析

圖3中列出了方案1、方案2和方案3中彈底觀測面3的溫度變化規(guī)律，所有方案中，導(dǎo)彈底部觀測面均呈現(xiàn)出溫度先上升，后下降，然后再上升的燃?xì)鉄g過程，可從以下方面來解釋：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)外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)馑俣认蛏希鐖D4（a）、4（b）所示，導(dǎo)彈底部被燃?xì)獍鼑?，熱環(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，但由于彈底排導(dǎo)順暢且氣流速度遠(yuǎn)大于彈頂對(duì)應(yīng)的氣流速度，所以彈頂和彈底出現(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4（c）～4（f）所示，內(nèi)筒有部分冷空氣，所以倒吸初期，彈底被迅速降溫，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，方案3熱結(jié)構(gòu)優(yōu)良，倒吸入內(nèi)筒的低溫氣體對(duì)導(dǎo)彈起到很好的冷卻作用。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?，外筒與內(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苯厝幌喾?，本文?個(gè)方案均沒出現(xiàn)文獻(xiàn)［8］中提出的共性問題，且本文的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文的分析與觀點(diǎn)是正確的。

圖3 方案2、方案4、方案5觀測壁3溫度時(shí)程曲線

圖4 各方案在0.024 s時(shí)刻筒底速度矢量

3.2 發(fā)射裝置熱環(huán)境特性對(duì)比分析

圖5、圖6分別給出了方案1、方案2中，0.25 s時(shí)刻內(nèi)、外流場的溫度分布情況。從這兩圖中可以看出，0.25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3.1的分析，可從以下方面解釋：從3.1的流場特性分析可看出，在0.25 s時(shí)刻，兩方案均處于筒口氣流被“倒吸”到內(nèi)筒底部的過程；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)猓瑫r(shí)其筒口與筒底壓強(qiáng)差更大，最終通過“倒吸”效應(yīng)進(jìn)入到方案2內(nèi)筒的燃?xì)饬扛螅沟梅桨?內(nèi)筒熱環(huán)境稍惡劣于方案1?？梢钥闯?，方案2具有更好的燃?xì)饬髋艑?dǎo)性能，但無法抑制反濺流與“倒吸”效應(yīng)。

圖5 方案1在0.25 s時(shí)刻溫度分布

圖6 方案2在0.25 s時(shí)刻溫度分布

圖7 方案組合溫度分布對(duì)比

為進(jìn)行對(duì)比分析，圖7給出了組合方案的溫度分布圖。方案3中增加了筒底帶折角的伸縮段和筒口導(dǎo)流板，為分析兩種結(jié)構(gòu)對(duì)流場特性與熱環(huán)境的綜合影響，圖7（a）給出了方案2、方案3的溫度對(duì)比圖。從圖7（a）可以看出，帶折角的伸縮段有效遮擋了高速燃?xì)饬骱屯馔沧饔煤蟮姆礊R流，對(duì)彈底部的熱環(huán)境有很大改善，同時(shí)，外筒的熱環(huán)境也得到進(jìn)一步改善，溫度降到2 000 K左右；另外，筒口導(dǎo)流板將燃?xì)饬饔行У呐诺酵耐仓車?，在?dǎo)彈上方的氣流溫度較低，倒吸效應(yīng)減弱，倒吸入內(nèi)筒的氣體溫度較方案2對(duì)應(yīng)值低很多，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，并且由于本文中的導(dǎo)流板由于設(shè)計(jì)合理，沒有出現(xiàn)排導(dǎo)受阻，反而排導(dǎo)更為順暢。

圖8 方案2、方案3彈頂觀測面溫度時(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2、方案3彈頂觀測面的溫度時(shí)程曲線，方案2中，彈一直被高溫燃?xì)馐瑥楉斕幱诟邷卣鹗帬顟B(tài)；方案3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，溫度一直處于800 K以下；提出的優(yōu)化方案3彈頂溫度上升更慢。

圖9 方案1～方案3觀測壁1溫度時(shí)程曲線

圖10 方案1～方案3觀測壁2溫度時(shí)程曲線

圖11 方案1～方案3觀測壁3溫度時(shí)程曲線

圖12 方案2、方案3外筒觀測面溫度時(shí)程曲線

圖9 ～圖11分別給出了各方案在觀測壁1、觀測壁2，及觀測壁3的溫度對(duì)比時(shí)程曲線。在觀測壁面1、觀測壁2及觀測壁3上，方案3對(duì)應(yīng)熱環(huán)境明顯更優(yōu)，且離彈底距離越遠(yuǎn)，其熱環(huán)境越優(yōu)；在排導(dǎo)初期，兩個(gè)方案在3個(gè)觀測面的溫度均能較快降下來，說明導(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)，并能有效遮擋反濺流；在導(dǎo)彈發(fā)射后期，兩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1、方案2倒吸效應(yīng)更為明顯，溫度更高，呈現(xiàn)震蕩上升趨勢(shì)，隨著導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)，方案3的倒吸效應(yīng)明顯更弱，彈底部的溫度已明顯更低；另外，在3個(gè)觀測面，方案3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)，這種效果會(huì)越來越明顯。

圖12給出了方案2、方案3中外筒觀測面的溫度曲線，排導(dǎo)趨于穩(wěn)定后，方案3該觀測面基本能保持在2 250 K左右，外筒熱環(huán)境比文獻(xiàn)［8］中熱環(huán)境（2 700 K）更好，這可能是由于“引射效應(yīng)”擾動(dòng)了外筒排氣流場環(huán)境。

4 結(jié)論

①利用分層動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，通過求解二維軸對(duì)稱N-S方程，研究了高導(dǎo)流錐、筒底伸縮折角段和筒口導(dǎo)流板等結(jié)構(gòu)對(duì)同心筒發(fā)射裝置流場特性和導(dǎo)彈熱環(huán)境的影響，分析顯示，高導(dǎo)流錐能實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬鞯目焖夙槙撑艑?dǎo)，筒底折角伸縮段能有效遮擋到彈底部的反濺流，筒口導(dǎo)流板能較好改善筒口熱環(huán)境，改善“倒吸效應(yīng)”，且文中方案動(dòng)態(tài)流場沒有出現(xiàn)文獻(xiàn)［7］中提出的共性問題；②本文提出的優(yōu)化方案能實(shí)現(xiàn)彈底燃?xì)饬骺焖夙槙撑艑?dǎo)，外筒上段結(jié)構(gòu)有效遮擋燃?xì)饬?，倒吸進(jìn)入內(nèi)筒的多為低溫空氣，對(duì)導(dǎo)彈起到了很好的氣冷保護(hù)作用，該方案在內(nèi)、外筒及導(dǎo)彈熱環(huán)境方面全方位優(yōu)于方案1和2，表明提出的方案3是合理的，熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功的；③通過流場結(jié)構(gòu)的分析，揭示了優(yōu)化方案排導(dǎo)降溫的機(jī)理。

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Research on Flow Field Mechanism and Cooling Effect of a New Optimized Concentric Canister Launcher

YANG Feng-bo，MA Da-wei，LE Gui-gao，XIA Qian-qian，HU Xiao-lei
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Based on the RANS governing equations，axisymmetric N-S equation and dynamic mesh technology with spring based smoothing method and remeshing method，the axisymmetric flow fields of different shapes of concentric canister launcher have been simulated numerically，both the flow field mechanism and missile thermal environment characteristics of different structure form are obtained to deal with the structural optimization and thermal environment improving problem of concentric canister launcher.The numerical results show that the deflector scheme is in favor of exhausting the jet quickly and smoothly;through the design of the shrinking part at the rump of internal cylinder，the reflection of the high temperature jet can be reduced significantly;the reverse absorption effect of jet flow can be well inhibited，so the thermal safety of missile and internal cylinder can be guaranteed.Moreover，the flow structure and cooling mechanism of the concentric canister launcher scheme are revealed，and the numerical results can provide important guidance for relative investigations.

concentric canisterlauncher（CCL），missilejet，flow field mechanism，thermal environment characteristics

TJ762

A

1002-0640（2015）05-0079-04

2014-03-04

2014-05-17

國防基礎(chǔ)科研基金資助項(xiàng)目（B2620110005）

楊風(fēng)波（1987- ），男，湖北荊門人，博士研究生。研究方向：兵器發(fā)射理論與技術(shù)。