燃?xì)舛婵刂屏τ绊懸蛩氐臄?shù)值模擬*

王恒宇,孫中文,李 暢,肖 赟,周欣歡,張 弛,王賢勇,曹白玉

(江南工業(yè)集團(tuán)有限公司,湖南湘潭 411207)

0 引言

燃?xì)舛媸菍?dǎo)彈的一種常用的控制部件,它通過(guò)舵片在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管口部的切入和退出,使發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庠趪姽芸诓慨a(chǎn)生局部激波和渦流,從而引起噴管擴(kuò)張段內(nèi)的壓力分布的改變,產(chǎn)生徑向的推力分量,又稱(chēng)為控制力[1-2]。

燃?xì)舛娈a(chǎn)生的控制力大小直接影響導(dǎo)彈的飛行,控制力小了,難以控制導(dǎo)彈的飛行,控制力大了,雖然有利于導(dǎo)彈的飛行控制,但是造成的推力損失也會(huì)增大,影響導(dǎo)彈的有效射程,所以燃?xì)舛娴目刂屏Υ笮?yīng)該穩(wěn)定在給定的指標(biāo)的范圍內(nèi)[3]。但是舵片切入噴管口部時(shí),燃?xì)舛娴奈擦鲌?chǎng)十分復(fù)雜,并且影響燃?xì)舛婵刂屏Φ囊蛩胤浅６?如環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)火藥、噴喉尺寸、舵片的切入角度、舵片的外形等,從而造成控制力存在一定程度上的散布[4],因此掌握并控制好各個(gè)影響燃?xì)舛婵刂屏Υ笮〉囊蛩刈兊糜葹橹匾?/p>

在傳統(tǒng)的燃?xì)舛娴难兄七^(guò)程中,人們?yōu)榱搜芯坑绊懭細(xì)舛婵刂屏Φ囊蛩?經(jīng)過(guò)了大量的發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試驗(yàn),風(fēng)洞試驗(yàn)等方法總結(jié)出了許多可靠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5],但是在這些經(jīng)驗(yàn)的摸索過(guò)程中卻付出了大量時(shí)間和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi),付出的代價(jià)無(wú)疑是十分巨大的。為了減少燃?xì)舛嫜兄频脑囼?yàn)成本,縮短研制周期,文中通過(guò)CFD的方法,運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)導(dǎo)彈燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究舵片與噴管端面間的間隙、舵片切入角度和反射板高度三個(gè)重要的燃?xì)舛娼Y(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)控制力的影響。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 控制方程

控制方程采用笛卡爾坐標(biāo)系下的三維N-S方程,控制方程為:

(1)

式中,Q為守恒變量矢量;E、F和G為無(wú)粘通矢量,Ev、Fv和Gv為粘性通矢量,湍流模型采用穩(wěn)定性較高、計(jì)算精度較好的RNG模型[6],并同時(shí)求解質(zhì)量方程、連續(xù)性方程及能量方程。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格

燃?xì)舛婺Ｐ腿鐖D1所示,整個(gè)模型由舵片1,舵片2,反射板1,反射板2,噴管及噴管座組成,其中舵片1處于切入狀態(tài),舵片2處于退出狀態(tài)。

圖1 燃?xì)舛婺Ｐ褪疽鈭D

將建立好的燃?xì)舛婺Ｐ蛯?dǎo)入ICEM中進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分,并對(duì)噴管和噴管出口的流場(chǎng)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密,劃分后的網(wǎng)格總數(shù)為284萬(wàn),燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)網(wǎng)格模型

1.3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

如表1所示為燃?xì)舛婺Ｐ徒Y(jié)構(gòu)參數(shù),其中δ為舵片與噴管端面間的間隙,α為舵片1的切入角度,H為反射板高度,文中只在單因素燃?xì)舛娼Y(jié)構(gòu)參數(shù)影響下對(duì)控制力進(jìn)行研究,例如在δ=0.3 mm,α=10.5°時(shí)研究不同反射板高度H對(duì)控制力的影響,并且文中根據(jù)表2中的參數(shù)建立單因素影響下不同燃?xì)舛娴奈擦鲌?chǎng)模型。

表1 燃?xì)舛婺Ｐ徒Y(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 不同燃?xì)舛婺Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

將在ICEM中劃分完的燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行求解計(jì)算,設(shè)置為穩(wěn)態(tài)求解,選擇適用于可壓縮氣體流動(dòng)的密度基求解器,選用理想氣體ideal-gas,粘性參數(shù)由三系數(shù)Sutherland公式確定,噴管進(jìn)口采用壓力進(jìn)口(pressure-inlet)邊界條件,壓力值為5.47×106Pa,溫度為2 300 K,尾流場(chǎng)出口采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件,壓力值為101 325 Pa,回流溫度為300 K。

圖3 燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面壓力分布云圖

先對(duì)δ=0.3 mm,α=10.5°,H=7.5 mm燃?xì)舛婺Ｐ偷奈擦鲌?chǎng)進(jìn)行分析,如圖3所示為燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面壓力分布云圖,從圖中可知,燃?xì)饨?jīng)過(guò)噴管的收縮段至擴(kuò)張段,壓力逐漸減小,擴(kuò)張段尾部燃?xì)馐艿蕉嫫?的“阻滯”,導(dǎo)致舵片下方形成局部高壓區(qū)域,使擴(kuò)張段噴管壁面周向壓力分布不均,燃?xì)庠诎l(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面產(chǎn)生徑向的推力分量,從而形成控制力。

圖4 燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面局部速度矢量圖

圖4為燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面局部速度矢量圖,從圖4中可知,舵片1下方產(chǎn)生了渦流,并且由于舵片與噴管端面間隙的存在,燃?xì)鈴拈g隙向外側(cè)“泄露”,舵片1切入側(cè)的燃?xì)狻靶孤丁焙?燃?xì)庠陂g隙出口速度急劇增加,并作用在反射板1上,沿著反射板1的內(nèi)弧面流向主燃?xì)饬鲄^(qū),在反射板1的內(nèi)弧面與舵片1的外弧面之間形成的出口空間位置產(chǎn)生渦流;由于舵片2處于退出狀態(tài),反射板2與舵片2之間的間隙較小,所以燃?xì)庠诙嫫?下方的間隙處“泄露”較少,從舵片2退出側(cè)“泄露”的燃?xì)忭樦瓷浒?的內(nèi)弧面又回到主燃?xì)饬鲄^(qū)。

2.1 舵片與噴管之間的間隙對(duì)控制力的影響

文中在α=10.5°、H=7.5 mm的情況下研究舵片與噴管之間的間隙對(duì)控制力的影響,圖5所示為舵片與噴管之間的間隙δ=0.15 mm、0.35 mm、0.50 mm時(shí)燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面速度分布云圖,可以看出,隨著δ的增加,從間隙處“泄露”的燃?xì)庠龆?切入舵片對(duì)下方燃?xì)獾摹白铚弊饔脺p小。

圖5 δ=0.15 mm、0.35 mm、0.5 mm時(shí)燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面速度分布云圖

燃?xì)舛娈a(chǎn)生的控制力是燃?xì)庾饔迷诎l(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管壁面和燃?xì)舛娓鞑考系膹较蛄Ξa(chǎn)生的合力效果,其中燃?xì)庾饔迷诎l(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管壁面上的徑向力起到了主要作用,但是燃?xì)庠诟鞑考袭a(chǎn)生的徑向力也是十分重要的。圖6為δ在0.15～0.50 mm之間變化時(shí),燃?xì)庾饔迷诎l(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管壁和各部件的徑向力變化曲線,可以看出隨著δ的增加,燃?xì)舛娈a(chǎn)生的控制力呈線性減小,當(dāng)δ小于0.3 mm時(shí),燃?xì)舛娓鞑考a(chǎn)生的徑向力對(duì)控制力產(chǎn)生的是減益效果,當(dāng)δ大于0.3 mm時(shí),燃?xì)舛娓鞑考a(chǎn)生的徑向力對(duì)控制力產(chǎn)生的是增益效果,反射板1在一定程度上起到了“回收”燃?xì)獾淖饔?讓“泄露”的燃?xì)饽軌蜃饔迷诜瓷浒迳?使控制力增加。

圖6 燃?xì)庠趪姽鼙诤透鞑考较蛄ψ兓€

2.2 切入角度α對(duì)控制力的影響

文中在δ=0.3 mm、H=7.5 mm的情況下研究切入角度α對(duì)控制力的影響,如圖7所示為α=4.5°、9°、13.5°時(shí)燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面速度分布云圖,可以看出,從α=4.5°至α=9°時(shí),隨著舵片切入角度的增加,舵片1對(duì)燃?xì)獾摹白铚弊饔迷龃?舵片下方的激波面下移,增大了噴管壁面的壓力分布不均勻度,主燃?xì)饬餮刂嫫?上表面逐漸向右側(cè)偏轉(zhuǎn);當(dāng)舵片切入至13.5°時(shí),舵片外側(cè)過(guò)度圓弧處移動(dòng)至噴管出口附近,導(dǎo)致舵片與噴管之間的間隙急劇增大,燃?xì)庠谠撎幍摹靶孤丁贝罅吭黾?并且由于此時(shí)反射板1的內(nèi)弧面與舵片1的外弧面之間形成的空間位置較大,使部分“泄露”的燃?xì)馕粗苯幼饔迷诜瓷浒?上,同時(shí)主燃?xì)饬鞯钠D(zhuǎn)角度減小。

圖7 α=4.5°、9°、13.5°時(shí)燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面速度分布云圖

圖8 燃?xì)庠趪姽鼙诤透鞑考较蛄ψ兓€

圖8為α在1.5°～13.5°之間變化時(shí),燃?xì)庾饔迷诎l(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管壁和各部件的徑向力變化曲線,可以看出,隨著舵片切入角度的增加,控制力先增大后減小,在切入角度α=10.5°時(shí)控制力達(dá)到最大;從總體上看,在切入角度小于10.5°時(shí),燃?xì)舛娓鞑考a(chǎn)生總的徑向力是使控制力增加的,當(dāng)切入角度大于10.5°時(shí),燃?xì)舛娓鞑考a(chǎn)生總的徑向力是使控制力減小的,舵片1和反射板1產(chǎn)生了使控制力增加的徑向力,舵片2和反射板2產(chǎn)生了使控制力減小的徑向力。

圖9 H=9 mm時(shí)燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面局部速度矢量圖

2.3 反射板高度H對(duì)控制力的影響

文中在δ=0.3 mm,α=10.5°的情況下研究反射板高度H對(duì)控制力的影響,如圖10所示為H=4.5 mm、7 mm、9 mm時(shí)燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面速度分布云圖,可以看出,當(dāng)H=4.5 mm時(shí),由于反射板1偏低,從間隙泄露的燃?xì)饬餮刂瓷浒宓膬?nèi)弧面向外側(cè)流動(dòng),直接作用在反射板1上的燃?xì)廨^少;當(dāng)H=9 mm時(shí),從間隙泄露的燃?xì)饬鞔蟛糠侄甲饔迷诜瓷浒?上,并且從反射板內(nèi)弧面與舵片1外弧面之間出來(lái)的燃?xì)獯蟛糠侄蓟氐搅酥魅細(xì)饬鲄^(qū),但是由于反射板上表面水平高度要高于舵片,當(dāng)高速燃?xì)庋囟嫫?向外擴(kuò)張時(shí),高出舵片的反射板2使燃?xì)饬飨蛏掀?并且部分燃?xì)庠谠撎帯澳媪鳌?沖刷反射板2內(nèi)弧面與舵片2外弧面之間的間隙,其局部速度矢量圖如圖9所示。圖11為H=4.5 mm、7 mm、9 mm時(shí),燃?xì)庠诎l(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管壁和各部件的徑向力變化曲線,可以看出,燃?xì)舛婵刂屏﹄S著反射板高度的增加而增加,當(dāng)H=8 mm時(shí),控制力達(dá)到最大60.7 N;隨著反射板高度的增加,燃?xì)庠诎l(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁上的徑向力基本上保持不變,燃?xì)庠诙嫫?和反射板1上產(chǎn)生的作用力使控制力增加,在舵片2和反射板2上產(chǎn)生的作用力使控制力減小,并且當(dāng)H大于8 mm時(shí),由于燃?xì)鉀_刷高出舵片2的反射板,導(dǎo)致反射板2產(chǎn)生的負(fù)徑向力會(huì)急劇增加,控制力急劇減小。

圖10 H=4.5 mm、7 mm、9 mm時(shí)燃?xì)舛嫖擦鲌?chǎng)截面速度分布云圖

圖11 燃?xì)庠趪姽鼙诤透鞑考较蛄ψ兓€

3 結(jié)論

為了研究燃?xì)舛婵刂屏Φ挠绊懸蛩?對(duì)不同燃?xì)舛娼Y(jié)構(gòu)參數(shù)下的尾流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出的結(jié)論如下:

1)控制力是燃?xì)庾饔迷趪姽鼙诿嫔吓c各部件的徑向力產(chǎn)生的合力效果,燃?xì)庾饔迷趪姽鼙诿嫔系膹较蛄κ强刂屏Ξa(chǎn)生的主要部分,燃?xì)庾饔迷诟鞑考膹较蛄κ怯绊懣刂屏Φ闹匾蛩亍?/p>

2)隨著舵片與噴管之間的間隙增加,燃?xì)舛娈a(chǎn)生的控制力減小;剛開(kāi)始隨著舵片切入角度的增加,燃?xì)庠趪姽鼙诿娴膲毫Ψ植荚讲痪鶆?產(chǎn)生的控制力越大,但當(dāng)舵片的切入角度大于10.5°時(shí),從舵片下方向外“泄露”的燃?xì)饧眲≡黾?舵機(jī)產(chǎn)生的控制力開(kāi)始減小;剛開(kāi)始隨著反射板高度的增加,產(chǎn)生的控制力越大,但當(dāng)反射板高度大于8 mm時(shí),由于燃?xì)庠诟叱龆嫫姆瓷浒?上沿產(chǎn)生局部“逆流”,反射板2產(chǎn)生的負(fù)徑向力急劇增加,燃?xì)舛娈a(chǎn)生的控制力急劇減小。