引流式直接力裝置動(dòng)態(tài)特性研究

劉玉磊　張澤遠(yuǎn)

摘要：直接力技術(shù)是未來先進(jìn)空空導(dǎo)彈所亟需的技術(shù)之一，對(duì)直接力裝置內(nèi)閥頭運(yùn)動(dòng)與流場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合過程的研究成為方案設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的問題。本文以某型尾端引流式直接力裝置方案為研究對(duì)象。建立閥頭打開、關(guān)閉過程仿真分析模型，對(duì)閥頭運(yùn)動(dòng)與內(nèi)流場(chǎng)變化的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行研究，得到閥頭打開、關(guān)閉過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線以及裝置內(nèi)流場(chǎng)的變化情況。為直接力裝置的詳細(xì)方案設(shè)計(jì)和后續(xù)驗(yàn)證試驗(yàn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直接力裝置；動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性；閥頭設(shè)計(jì)；仿真分析

中圖分類號(hào)：TJ763；V43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2017）02-0043-06

0引言

直接力裝置能大幅提高空空導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)性，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕、響應(yīng)快速、推力較大、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，是未來導(dǎo)彈武器的關(guān)鍵部件，具有強(qiáng)烈的軍事需求和廣泛的應(yīng)用前景。自20世紀(jì)60年代起，國(guó)外便對(duì)直接力技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和數(shù)值研究。國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究起步較晚，研究的重點(diǎn)集中在側(cè)向噴流干擾流場(chǎng)中的波系、渦系結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)的分離與再附等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。

隨著直接力技術(shù)成熟度的提高，對(duì)直接力裝置動(dòng)態(tài)特性的研究，特別是裝置內(nèi)閥頭運(yùn)動(dòng)與內(nèi)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合過程的研究越來越成為方案設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問題。另外，這種動(dòng)態(tài)耦合過程所產(chǎn)生的動(dòng)載荷和氣動(dòng)力波動(dòng)會(huì)對(duì)彈體結(jié)構(gòu)以及控制精度產(chǎn)生影響，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)直接力裝置的非定常效應(yīng)對(duì)導(dǎo)彈總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。本文以某型尾端引流式直接力裝置方案為研究對(duì)象，建立閥頭運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合過程仿真分析模型，對(duì)閥頭運(yùn)動(dòng)與內(nèi)流場(chǎng)變化的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行研究，為直接力裝置的詳細(xì)方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1數(shù)值模型

1.1幾何結(jié)構(gòu)

本文研究的直接力裝置結(jié)構(gòu)方案示意圖如圖1所示。

直接力裝置內(nèi)的燃?xì)饬鲃?dòng)分為三部分：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)，主要用來產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力，同時(shí)也是發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)向力及其他控制力的動(dòng)力源，稱為主流；（2）側(cè)向噴管內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)，主要用來產(chǎn)生側(cè)向力，稱為側(cè)向流；（3）先導(dǎo)閥內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)向力流動(dòng)開關(guān)的控制，稱為控制流。本研究中閥頭運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合過程為典型的動(dòng)網(wǎng)格非定常流動(dòng)問題，計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)。因此，從減少計(jì)算量簡(jiǎn)化模型幾何尺度的角度考慮，本研究中的流場(chǎng)范圍僅包含側(cè)向流和控制流兩部分。

本研究直接力方案中，閥頭的打開與關(guān)閉由先導(dǎo)閥控制，先導(dǎo)閥打開閥頭底腔，燃?xì)庋杆偻ㄟ^排氣管路排空，使得主閥頭打開，產(chǎn)生側(cè)向力。先導(dǎo)閥關(guān)閉，閥頭頂腔內(nèi)燃?xì)馔ㄟ^閥頭平衡孔向閥頭底腔充氣，使得閥頭底部壓力升高，主閥頭關(guān)閉。閥頭打開過程的幾何模型如圖2所示，閥頭關(guān)閉過程的幾何模型如圖3所示。

1.2基本假設(shè)

a.忽略閥頭摩擦力及間隙漏氣對(duì)閥頭運(yùn)動(dòng)的影響：

b.燃?xì)鉄o化學(xué)反應(yīng)，忽略兩相流動(dòng)；

c.側(cè)向力閥頭運(yùn)動(dòng)過程中入口壓力無變化，保持恒定；

d.先導(dǎo)閥打開與關(guān)閉過程瞬間完成，無時(shí)間延遲。

1.3網(wǎng)格更新技術(shù)

為了閥頭動(dòng)網(wǎng)格的實(shí)現(xiàn)，本研究中將計(jì)算模型劃分為四面體非結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格，聯(lián)合使用彈性光順法和局部網(wǎng)格重構(gòu)法對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行更新。在閥頭上下表面附近進(jìn)行局部加密，以適應(yīng)不規(guī)則的氣流通道，并提高計(jì)算精度。閥頭打開模型的初始網(wǎng)格數(shù)為82萬，分為閥頭頂腔域、喉部及擴(kuò)散段域、閥頭平衡孔域、閥頭底腔域以及排氣管路域五個(gè)計(jì)算域。閥頭關(guān)閉模型的初始網(wǎng)格數(shù)為73.7萬，分為閥頭頂腔域、喉部及擴(kuò)散段域、閥頭平衡孔域、閥頭底腔域四個(gè)計(jì)算域。

1.4計(jì)算方法

根據(jù)所建立的網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值模擬，以人口壓力、出口壓力為邊界條件，參數(shù)設(shè)置如表1所示。瞬態(tài)的時(shí)間步長(zhǎng)為1.0×10^-6s，每一時(shí)間步的迭代次數(shù)為30，動(dòng)域與靜域間采用Interface連接。

2閥頭打開過程

在直接力裝置默認(rèn)狀態(tài)下，先導(dǎo)閥關(guān)閉，由于閥頭平衡孔的作用，閥頭底腔與閥頭頂腔壓力平衡，主閥頭處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)先導(dǎo)閥打開時(shí)，閥頭底腔排氣管路接通，燃?xì)饨?jīng)排氣管路迅速排出，造成閥頭底腔壓力下降，最終使得閥頭向下運(yùn)動(dòng)，直至完全打開。當(dāng)需要閥頭關(guān)閉時(shí)，先導(dǎo)閥關(guān)閉，切斷排氣管路，燃?xì)饨?jīng)閥頭平衡孔向閥頭底腔充氣，使得閥頭底腔壓力升高，形成閥頭向上運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，完成閥頭關(guān)閉。閥頭打開和關(guān)閉運(yùn)動(dòng)的總行程為5.2 mm，且定義閥頭關(guān)閉時(shí)行程為0 mm，打開時(shí)行程為5.2 mm。

閥頭打開過程的仿真計(jì)算以先導(dǎo)閥打開，閥頭行程為1.2 mm時(shí)的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)為初始計(jì)算流場(chǎng)。

2.1閥頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

閥頭行程見圖4，從圖中可以看出，閥頭0時(shí)刻開始運(yùn)動(dòng)，從1.2 mm行程運(yùn)動(dòng)到5.2 mm行程的打開過程持續(xù)約1.44 ms。

打開過程中閥頭軸向力方向始終沿著閥頭負(fù)向，即打開方向。閥頭軸向力曲線見圖5，由圖可見，軸向力大小呈先減小后增加的變化趨勢(shì)。主要是因?yàn)樵谥鏖y小開度情況下，閥頭表面的燃?xì)饬魍娣e較小，燃?xì)饬魉佥^快，導(dǎo)致位于收斂段的閥頭表面壓力下降程度較大，同時(shí)由于燃?xì)饬髁枯^小，使得位于擴(kuò)散段的閥頭表面燃?xì)鈮毫υ黾虞^小，閥頭軸向力呈減小趨勢(shì)。閥頭最小軸向力為1 276.7 N，此時(shí)，閥頭運(yùn)動(dòng)0.4 ms，閥頭開度達(dá)到1.5 mm左右。隨著閥頭開度的繼續(xù)增加，燃?xì)饬魍娣e增大，此時(shí)雖然收斂段的閥頭表面壓力下降程度有所增大，但閥頭擴(kuò)散段表面壓力的增加更為顯著，使得閥頭軸向力持續(xù)增加，最大值約為1 545.3 N。

閥頭速度如圖6所示，可以看出，閥頭沖擊底座的最大速度（取絕對(duì)值）為5.68 m/s，閥頭速度接近線性勻加速，平均加速度約為3 940 m/s²。

閥頭側(cè)向力的產(chǎn)生主要是由于方案中直接力裝置進(jìn)氣位置的不對(duì)稱導(dǎo)致的。在進(jìn)氣口側(cè)燃?xì)馑俣扰c喉部燃?xì)饬鞒龇较蛳嗤?，閥頭表面燃?xì)饬魉佥^大，壓力較低，而背側(cè)燃?xì)庑柘冉?jīng)滯止后再反向流出，閥頭表面燃?xì)饬魉佥^小，壓力較高，二者的綜合作用使得閥頭上存在一個(gè)方向與進(jìn)氣方向相反的側(cè)向力。該側(cè)向力的存在對(duì)于閥頭運(yùn)動(dòng)來說具有較大危害，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致閥頭運(yùn)動(dòng)卡死，因此需對(duì)閥頭側(cè)向力的大小進(jìn)行關(guān)注。本直接力裝置方案中閥頭打開過程的閥頭側(cè)向力時(shí)間曲線如圖7所示。

由圖2可知，打開過程中閥頭側(cè)向力方向始終沿著x軸負(fù)向，與燃?xì)饬魅敕较蛳喾?。由圖7可以看出，側(cè)向力大小先呈震蕩并緩慢增加的趨勢(shì)，后增加趨勢(shì)有所增大，在閥頭達(dá)到最大開度時(shí)達(dá)到最大值，并趨于穩(wěn)定。整個(gè)過程中最大閥頭側(cè)向力約為387.6 N，最小值為98.5 N。

2.2對(duì)稱面流場(chǎng)云圖

對(duì)稱面流場(chǎng)云圖見圖8，可以看出，隨著閥頭行程的增加，進(jìn)氣口側(cè)燃?xì)鈮毫ο陆递^快，而背側(cè)燃?xì)鈮毫ο陆挡幻黠@。同時(shí)，閥頭擴(kuò)散段內(nèi)壓力呈逐步升高的趨勢(shì)，且在閥頭頂部存在較為明顯的激波現(xiàn)象。另外閥頭底腔與排氣管路內(nèi)壓力也略有增加，主要是由于閥頭開度的增加使得閥頭平衡孔進(jìn)氣口側(cè)的壓力上升導(dǎo)致的。

對(duì)稱面馬赫數(shù)云圖見圖9，可以看出，隨著閥頭行程的增加，閥頭頂腔和閥頭底腔內(nèi)馬赫數(shù)均較低，進(jìn)氣口側(cè)馬赫數(shù)要略高于背進(jìn)氣口側(cè)。在喉部位置，小行程時(shí)對(duì)稱面兩側(cè)音速線沿閥頭軸線具有較好的對(duì)稱性，隨著閥頭行程的增加這種對(duì)稱性逐漸變差，且音速線逐步由直線演變?yōu)榍€，整個(gè)喉部音速面呈現(xiàn)為復(fù)雜的三維曲面結(jié)構(gòu)。

閥頭行程較小時(shí)，對(duì)稱面擴(kuò)散段最高馬赫數(shù)為3.5。隨著閥頭行程的增加，擴(kuò)張比相應(yīng)減小，對(duì)稱面擴(kuò)散段最高馬赫數(shù)下降，到閥頭完全打開時(shí)，對(duì)稱面擴(kuò)散段最高馬赫數(shù)為2.8左右。整個(gè)過程中排氣管路內(nèi)馬赫數(shù)變化不大。同一時(shí)刻排氣管路內(nèi)馬赫數(shù)沿燃?xì)饬鲃?dòng)逐步增加，出口處達(dá)到音速。

3閥頭關(guān)閉過程

在閥頭完全打開后的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行插值，作為閥頭關(guān)閉過程仿真計(jì)算的初始流場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)閥頭關(guān)閉過程進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1閥頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

閥頭行程如圖10所示，可以看出，閥頭直到0.38 ms才開始運(yùn)動(dòng)，從5.2 mm行程運(yùn)動(dòng)到1.2mm行程的關(guān)閉過程持續(xù)約2.5 ms。

閥頭關(guān)閉過程可分為閥頭底腔充氣過程和閥頭運(yùn)動(dòng)過程兩部分，分別對(duì)應(yīng)閥頭軸向力曲線的負(fù)向段和正向段。在負(fù)軸向力段內(nèi)閥頭處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)燃?xì)馔ㄟ^閥頭平衡孔對(duì)閥頭底腔進(jìn)行充氣，使得閥頭底腔壓力上升，隨著充氣的進(jìn)行，閥頭軸向力線性減小，如圖11所示，在0.38 ms時(shí)閥頭上下表面壓力平衡，閥頭軸向力轉(zhuǎn)變?yōu)檎颍y頭開始關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，此后閥頭底腔的壓力受到閥頭平衡孔充氣速率和閥頭運(yùn)動(dòng)的速度共同影響，并且隨著閥頭運(yùn)動(dòng)速度的增加，閥頭軸向力增加趨勢(shì)逐漸趨緩。到1.0 ms時(shí)閥頭底腔的充氣速度、閥頭運(yùn)動(dòng)速度以及閥頭上表面流場(chǎng)的變化情況達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，閥頭軸向力趨于穩(wěn)定。到1.5 ms時(shí)由于閥頭行程較小，閥頭擴(kuò)散段表面壓強(qiáng)下降明顯，導(dǎo)致閥頭正向受力又開始緩慢上升。

閥頭速度如圖12所示，可以看出，閥頭沖擊喉部接觸處的最大速度大于5.18 m/s。閥頭運(yùn)動(dòng)明顯分為靜止段、變加速段和勻加速段，加速段的平均加速度約為3 050 m/s²。

由圖3可知，關(guān)閉過程中閥頭側(cè)向力方向始終沿著X軸負(fù)向，與燃?xì)饬魅敕较蛳喾?。?.2 ms之前，閥頭側(cè)向力大小維持在270 N左右，較為穩(wěn)定。之后閥頭側(cè)向力經(jīng)緩慢減小段后出現(xiàn)線性減小，最小值約為55 N，如圖13所示。對(duì)比圖7可以看出，閥頭關(guān)閉過程中側(cè)向力比閥頭打開過程中側(cè)向力略有減小。

3.2對(duì)稱面流場(chǎng)云圖

閥頭對(duì)稱面壓力云圖如圖14所示，可以看出，與閥頭打開過程相反，隨著閥頭行程的減小，進(jìn)氣口側(cè)燃?xì)鈮毫ι仙^快，而背進(jìn)氣口側(cè)燃?xì)鈮毫ι仙幻黠@。這一過程中閥頭擴(kuò)散段壓力呈逐步降低的趨勢(shì)。另外，閥頭底腔內(nèi)壓力也略有減小，主要是由于閥頭行程的減小使得閥頭平衡孔進(jìn)氣口側(cè)的壓力下降導(dǎo)致的。

閥頭對(duì)稱面馬赫數(shù)云圖如圖15所示，可以看出，隨著閥頭開度的減小，閥頭頂腔以及閥頭底腔內(nèi)的馬赫數(shù)均較低，且在整個(gè)閥頭關(guān)閉過程中變化不大。在喉部位置處，與閥頭打開過程相反，隨著閥頭的關(guān)閉，對(duì)稱面兩側(cè)音速線沿閥頭軸線對(duì)稱性逐漸增強(qiáng)，并逐漸由曲線演變?yōu)橹本€。在擴(kuò)散段處，閥頭完全打開時(shí)最高馬赫數(shù)為2.8左右，當(dāng)閥頭關(guān)閉到小開度時(shí)，最高馬赫數(shù)又上升到3.5的水平。

4結(jié)論

閥頭從1.2 mm行程到5.2 mm行程的打開過程用時(shí)約1.4 ms。閥頭沖擊底座的最大速度約為5.68 m/s，閥頭速度接近線性勻加速，平均加速度約為3 940 m/s²。打開過程中閥頭軸向力最大值為1 545.3 N，最小值為1 276.7 N。閥頭側(cè)向力最大值為387.6 N，最小值為98.5 N。

閥頭從5.2 mm行程運(yùn)動(dòng)到1.2 mm行程的關(guān)閉過程持續(xù)約2.2 ms，可分為閥頭底腔充氣過程和閥頭運(yùn)動(dòng)過程兩部分，閥頭底腔充氣過程用時(shí)0.38 ms，閥頭運(yùn)動(dòng)過程用時(shí)1.82 ms，閥頭沖擊喉部接觸處的最大速度大于5.18 m/s。閥頭運(yùn)動(dòng)明顯分為靜止段、變加速段和勻加速段，加速段的平均加速度約為3 050 m/s²。