劉玉磊 張澤遠(yuǎn)
摘要:直接力技術(shù)是未來(lái)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(guò)程的研究成為方案設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的問(wèn)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(kāi)、關(guān)閉過(guò)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(guò)程進(jìn)行研究,得到閥頭打開(kāi)、關(guān)閉過(guò)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(lèi)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(lái)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(guò)程的研究越來(lái)越成為方案設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問(wèn)題。另外,這種動(dòng)態(tài)耦合過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(chēng)為主流;(2)側(cè)向噴管內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng),主要用來(lái)產(chǎn)生側(cè)向力,稱(chēng)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(kāi)關(guān)的控制,稱(chēng)為控制流。本研究中閥頭運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合過(guò)程為典型的動(dòng)網(wǎng)格非定常流動(dòng)問(wèn)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(kāi)與關(guān)閉由先導(dǎo)閥控制,先導(dǎo)閥打開(kāi)閥頭底腔,燃?xì)庋杆偻ㄟ^(guò)排氣管路排空,使得主閥頭打開(kāi),產(chǎn)生側(cè)向力。先導(dǎo)閥關(guān)閉,閥頭頂腔內(nèi)燃?xì)馔ㄟ^(guò)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(kāi)過(guò)程的幾何模型如圖2所示,閥頭關(guān)閉過(guò)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(wú)化學(xué)反應(yīng),忽略?xún)上嗔鲃?dòng);
c.側(cè)向力閥頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中入口壓力無(wú)變化,保持恒定;
d.先導(dǎo)閥打開(kāi)與關(guān)閉過(guò)程瞬間完成,無(wú)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?lè)ê途植烤W(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(kāi)模型的初始網(wǎng)格數(shù)為82萬(wàn),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(wàn),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(kāi)過(guò)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(kāi)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(kāi)。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(kāi)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(kāi)時(shí)行程為5.2 mm。
閥頭打開(kāi)過(guò)程的仿真計(jì)算以先導(dǎo)閥打開(kāi),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(jiàn)圖4,從圖中可以看出,閥頭0時(shí)刻開(kāi)始運(yùn)動(dòng),從1.2 mm行程運(yùn)動(dòng)到5.2 mm行程的打開(kāi)過(guò)程持續(xù)約1.44 ms。
打開(kāi)過(guò)程中閥頭軸向力方向始終沿著閥頭負(fù)向,即打開(kāi)方向。閥頭軸向力曲線見(jiàn)圖5,由圖可見(jiàn),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(kāi)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(kāi)度達(dá)到1.5 mm左右。隨著閥頭開(kāi)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(chēng)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(lái)說(shuō)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(kāi)過(guò)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(kāi)過(guò)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(kāi)度時(shí)達(dá)到最大值,并趨于穩(wěn)定。整個(gè)過(guò)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(chēng)面流場(chǎng)云圖
對(duì)稱(chēng)面流場(chǎng)云圖見(jiàn)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(kāi)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(chēng)面馬赫數(shù)云圖見(jiàn)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(chēng)面兩側(cè)音速線沿閥頭軸線具有較好的對(duì)稱(chēng)性,隨著閥頭行程的增加這種對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)面擴(kuò)散段最高馬赫數(shù)下降,到閥頭完全打開(kāi)時(shí),對(duì)稱(chēng)面擴(kuò)散段最高馬赫數(shù)為2.8左右。整個(gè)過(guò)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(guò)程
在閥頭完全打開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)程持續(xù)約2.5 ms。
閥頭關(guān)閉過(guò)程可分為閥頭底腔充氣過(guò)程和閥頭運(yùn)動(dòng)過(guò)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^(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)程中側(cè)向力比閥頭打開(kāi)過(guò)程中側(cè)向力略有減小。
3.2對(duì)稱(chēng)面流場(chǎng)云圖
閥頭對(duì)稱(chēng)面壓力云圖如圖14所示,可以看出,與閥頭打開(kāi)過(guò)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(guò)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(chēng)面馬赫數(shù)云圖如圖15所示,可以看出,隨著閥頭開(kāi)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(guò)程中變化不大。在喉部位置處,與閥頭打開(kāi)過(guò)程相反,隨著閥頭的關(guān)閉,對(duì)稱(chēng)面兩側(cè)音速線沿閥頭軸線對(duì)稱(chēng)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(kāi)時(shí)最高馬赫數(shù)為2.8左右,當(dāng)閥頭關(guān)閉到小開(kāi)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(kāi)過(guò)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(kāi)過(guò)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(guò)程持續(xù)約2.2 ms,可分為閥頭底腔充氣過(guò)程和閥頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程兩部分,閥頭底腔充氣過(guò)程用時(shí)0.38 ms,閥頭運(yùn)動(dòng)過(guò)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。