殼藥間隙對(duì)自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)初始建壓過(guò)程的影響研究

顏 密，馬 宇，田小濤，賈勝錫，張 皓

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；3 現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引言

中小口徑固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火建壓過(guò)程一般可分為點(diǎn)火滯后期、火焰擴(kuò)散期和燃?xì)馓畛淦?個(gè)階段,一般持續(xù)十幾毫秒到幾十毫秒,具有顯注的瞬態(tài)特性。在包覆藥柱自由裝填的固體發(fā)動(dòng)機(jī)中,包覆藥柱外表面與燃燒室殼體絕熱層內(nèi)表面之間通常留有殼藥間隙,如圖1所示。在點(diǎn)火建壓過(guò)程中,殼藥間隙中的氣體幾乎不流動(dòng),壓強(qiáng)上升速度遠(yuǎn)小于燃燒室空腔,導(dǎo)致殼藥間隙與燃燒室空腔存在非均勻壓強(qiáng)分布并快速變化,這是影響固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性和點(diǎn)火沖擊的關(guān)鍵因素[1-4]。開展殼藥間隙對(duì)自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程中壓強(qiáng)分布影響研究,對(duì)于保持發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性和減小發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火沖擊有著重要的意義。

圖1 自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼藥間隙Fig.1 Shell-charge gap of free-loading solid rocket motor

目前固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程數(shù)值計(jì)算方法已發(fā)展出了點(diǎn)火瞬態(tài)一維非定常模擬、基于求解N-S方程的二維/三維模擬和考慮裝藥固相影響的流固耦合模擬。在一維非定常模擬方面,Desoto等[5]建立了適用于高面喉比發(fā)動(dòng)機(jī)的零維模型;Caveny等[6]提出了考慮火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊狞c(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型;在一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上,Peretz[7]發(fā)展出了一維非定常模型,模型考慮了氣流與藥柱之間對(duì)流傳熱、火焰?zhèn)鞑ズ颓治g燃燒等效應(yīng),給出了各參數(shù)的一維分布和時(shí)間分布,能夠描述點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程的基本特性。在基于求解N-S方程的二維/三維模擬方面,Ciucci等[8-9]提出了采用雙方程k-ε模型以及MacCormack顯式預(yù)估校正算法求解多維N-S方程的模型,可預(yù)示發(fā)動(dòng)機(jī)頭部星孔內(nèi)部非定常湍流。多名學(xué)者利用CFD軟件[10-14],對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,分析了裝藥結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)徑比、點(diǎn)火參數(shù)、破堵過(guò)程等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響。在流固耦合模擬方面,美國(guó)伊利諾斯大學(xué)先進(jìn)火箭仿真中心(CSAR)[15-16]建立了固體發(fā)動(dòng)機(jī)的三維流固耦合模擬方法,并升級(jí)優(yōu)化成點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程仿真軟件Rocstar,該軟件能夠詳細(xì)描述點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程中三維燃?xì)饬鲃?dòng)、推進(jìn)劑非線性動(dòng)態(tài)燃燒、推進(jìn)劑和殼體結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及相互間的耦合等現(xiàn)象。Li等[17]建立了流體-固體耦合模型,對(duì)雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的二脈沖點(diǎn)火過(guò)程開展了數(shù)值研究,分析了隔板作用下的二脈沖點(diǎn)火的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院徒Y(jié)構(gòu)響應(yīng),獲得了點(diǎn)火器質(zhì)量流量、隔板厚度和隔板直徑等因素對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響。丁鴻銘等[18]基于N-S方程、k-ε湍流模型,采用點(diǎn)火藥顆粒軌道模型和流固耦合方法分析了點(diǎn)火噴流沖擊對(duì)自由裝填藥柱結(jié)構(gòu)的影響。

裝藥結(jié)構(gòu)、裝填方式、長(zhǎng)徑比是影響固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程的關(guān)鍵因素。鐘濤等[19]研究了大長(zhǎng)徑比固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程,提出了點(diǎn)火壓強(qiáng)時(shí)間曲線分析方法、特征間隙分析方法和點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程性能散布的關(guān)鍵影響參數(shù)。余貞勇等[20]對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中翼槽內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算,指出了翼槽內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的關(guān)鍵因素。賀征等[21]研究了星形裝藥固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程,分析了點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程中星型裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的變化以及火焰在星角內(nèi)和軸向的傳播規(guī)律。王健儒等[22]研究了某大型分段式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期的燃面?zhèn)鞑ミ^(guò)程、燃燒室流動(dòng)和壓強(qiáng)分布,獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火行為特征。曹杰等[23]研究了自由裝填固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管型裝藥在點(diǎn)火燃?xì)鉀_擊作用下的藥柱載荷特性,指出點(diǎn)火初期沖擊載荷隨著點(diǎn)火壓強(qiáng)、點(diǎn)火具出口直徑、點(diǎn)火具出口-藥面距離的增大而變強(qiáng)。丁鴻銘等[18]研究了點(diǎn)火噴流沖擊對(duì)自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)管型裝藥的影響,分析了點(diǎn)火燃?xì)獾膫鞑ヌ匦约捌鋵?duì)裝藥結(jié)構(gòu)的影響。官典等[24]研究了橫向過(guò)載對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑點(diǎn)火建壓過(guò)程,分析了不同橫向過(guò)載下燃燒室壓力、侵蝕燃燒、過(guò)載響應(yīng)燃速增速等對(duì)推進(jìn)劑火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约叭紵疑龎核俾手g的影響規(guī)律。文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn):固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火數(shù)值仿真方法逐漸趨于成熟,對(duì)星型裝藥、翼柱型裝藥、分段裝藥等結(jié)構(gòu)的貼壁澆注固體發(fā)動(dòng)機(jī)以及管型裝藥的自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火建壓過(guò)程及其關(guān)鍵因素的研究較多,但對(duì)包覆藥柱裝藥的自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程的研究相對(duì)較少,有待進(jìn)一步深入研究。

文中針對(duì)典型結(jié)構(gòu)的包覆藥柱自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火建壓過(guò)程特點(diǎn),忽略裝藥及殼體變形對(duì)點(diǎn)火建壓過(guò)程流場(chǎng)的影響,基于求解N-S方程的二維軸對(duì)稱模擬方法,通過(guò)用戶自定義函數(shù)(UDF)建立點(diǎn)火藥和推進(jìn)劑燃燒模型,分析了點(diǎn)火建壓過(guò)程中不同時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)分布特性和不同殼藥間隙下的固體發(fā)動(dòng)機(jī)初始建壓過(guò)程,得出了殼藥間隙對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程的壓強(qiáng)分布及變化的影響規(guī)律。

1 物理模型及參數(shù)

自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。點(diǎn)火藥工作初始時(shí),噴堵使燃燒室腔處于密封狀態(tài),隨著點(diǎn)火燃?xì)獾尼尫?部分裝藥點(diǎn)燃并開始釋放燃?xì)?燃燒室腔內(nèi)壓強(qiáng)逐步升高,當(dāng)燃燒室壓強(qiáng)達(dá)到破堵壓強(qiáng)時(shí),噴管堵蓋打開,燃?xì)鈴膰姽艹隹谂懦?。隨著裝藥點(diǎn)燃燃面的擴(kuò)大,點(diǎn)火燃?xì)夂屯七M(jìn)劑燃?xì)獾倪M(jìn)一步釋放,燃燒室腔內(nèi)壓強(qiáng)繼續(xù)升高直至達(dá)到平衡壓強(qiáng),發(fā)動(dòng)機(jī)完成點(diǎn)火建壓過(guò)程。

圖2 自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of free loading solid rocket motor

1.1 點(diǎn)火藥

rb=12.2p0.562.5 MPa

(1)

(2)

式中:rb單位為mm/s;p為壓強(qiáng),單位為MPa;mb為點(diǎn)火藥量;d為點(diǎn)火藥平均粒徑;t為點(diǎn)火藥燃燒時(shí)間。

1.2 推進(jìn)劑

采用改性雙基推進(jìn)劑,其密度為1 800 kg/m3,燃?xì)鉁囟葹? 000 K。當(dāng)推進(jìn)劑表面溫度達(dá)到點(diǎn)火溫度1 073 K時(shí),推進(jìn)劑點(diǎn)燃并釋放燃?xì)?推進(jìn)劑燃速rp可表示為:

rp=8.7p0.491 MPa

(3)

(4)

式中:ρp為推進(jìn)劑密度。

1.3 噴管破堵壓強(qiáng)

在自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)中,為了提高點(diǎn)火的成功率、縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間,一般在噴管喉部處設(shè)有堵蓋。文中噴管破堵壓強(qiáng)為3.5 MPa,忽略噴管堵蓋打開過(guò)程中形成的噴堵碎片對(duì)流場(chǎng)的影響。

2 數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算區(qū)域及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

基于自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室初始空腔結(jié)構(gòu),對(duì)點(diǎn)火初期的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行二維軸對(duì)稱簡(jiǎn)化建模,計(jì)算區(qū)域和參數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖3所示。其中,紅色區(qū)域?yàn)闅に庨g隙,綠色區(qū)域?yàn)槿紵铱涨?藍(lán)色區(qū)域?yàn)閲姽軘U(kuò)張段,綠色區(qū)域與藍(lán)色區(qū)域交界處為噴管堵蓋。在計(jì)算區(qū)域中設(shè)有5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),P1,P2,P3依次位于殼藥間隙的頭部、中部和尾部,P4位于燃燒室空腔中部,P5位于長(zhǎng)尾管入口。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分,網(wǎng)格數(shù)量為200 000。

圖3 計(jì)算區(qū)域及監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.3 Calculation area and monitoring points

2.2 計(jì)算方法及邊界條件

基于計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS FLUENT 18.0,選用壓力基求解器、RNGk-ε湍流模型、壓力-速度耦合算法、DO 輻射模型對(duì)自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值仿真,庫(kù)朗特?cái)?shù)取5。采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,使用一階隱式歐拉格式對(duì)時(shí)間t進(jìn)行離散,步長(zhǎng)為1×10-6s,每步長(zhǎng)迭代至殘差小于10-6。

推進(jìn)劑燃面設(shè)置為質(zhì)量入口,推進(jìn)劑的點(diǎn)燃和釋放燃?xì)饬髁靠刂仆ㄟ^(guò)UDF實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)火藥入口設(shè)置為質(zhì)量入口,點(diǎn)火燃?xì)饬髁靠刂仆ㄟ^(guò)UDF實(shí)現(xiàn)。噴管堵蓋在未打開時(shí)為無(wú)滑移壁面,在達(dá)到破堵壓強(qiáng)后,轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌?chǎng)內(nèi)部邊界。噴管出口邊界條件設(shè)置為壓強(qiáng)出口,出口壓強(qiáng)設(shè)置為101 325 Pa。壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移壁面。計(jì)算燃?xì)鈪?shù)采用推進(jìn)劑燃?xì)馊紵?如表1所示。

表1 推進(jìn)劑燃?xì)鈪?shù)Table 1 Parameters of propellant gas

2.3 計(jì)算方案

為研究殼藥間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程的影響,設(shè)置了3種殼藥間隙,對(duì)僅點(diǎn)火藥工作和點(diǎn)火藥、裝藥共同工作的燃燒室建壓過(guò)程分別進(jìn)行計(jì)算。其中,對(duì)僅點(diǎn)火藥工作的工況進(jìn)行計(jì)算時(shí),不考慮噴管堵蓋的影響;對(duì)點(diǎn)火藥、裝藥共同工作的工況進(jìn)行計(jì)算時(shí),考慮噴管堵蓋的影響。自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)常用殼藥間隙一般為0.5～1.5 mm。這里引入無(wú)量綱殼藥間隙,選定殼藥間隙0.8 mm為基準(zhǔn)值1,1.5表示計(jì)算殼藥間隙為基準(zhǔn)殼藥間隙的1.5倍,0.5表示計(jì)算殼藥間隙為基準(zhǔn)間隙的0.5倍。計(jì)算方案如表2所示。

表2 計(jì)算方案Table 2 Calculation scheme

2.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

針對(duì)僅點(diǎn)火藥、無(wú)量綱殼藥間隙為1的工況,分別采用網(wǎng)格數(shù)量為10萬(wàn)、15萬(wàn)、20萬(wàn)、30萬(wàn)、50萬(wàn)開展非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,觀察燃燒室空腔中部壓強(qiáng)和殼藥間隙壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化情況,通過(guò)燃燒室壓強(qiáng)的平衡時(shí)間進(jìn)行無(wú)性驗(yàn)證。燃燒室壓強(qiáng)平衡時(shí)間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化如圖 4所示。由圖4可知,在網(wǎng)格數(shù)超過(guò)20萬(wàn)之后壓強(qiáng)平衡時(shí)間差值的變化小于0.1 ms。為了節(jié)約計(jì)算資源,后續(xù)采用20萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖4 壓強(qiáng)平衡時(shí)間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化Fig.4 Pressure equilibrium time varies with grid number

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程流場(chǎng)分析

以方案4為例,分析包覆藥柱自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程的燃燒室、殼藥間隙以及長(zhǎng)尾管的內(nèi)流場(chǎng)分布及變化特性。點(diǎn)火滯后期的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)溫度分布和壓強(qiáng)分布分別如圖5、圖6所示,該階段的主要特征為點(diǎn)火藥已經(jīng)開始工作并釋放高溫點(diǎn)火氣,但推進(jìn)劑尚未點(diǎn)燃。由圖5、圖6可知,點(diǎn)火燃?xì)馔瑫r(shí)向裝藥和長(zhǎng)尾管擴(kuò)散,燃燒室空腔內(nèi)的溫度呈現(xiàn)以點(diǎn)火位置為中心的擴(kuò)散狀;壓強(qiáng)呈現(xiàn)非均勻分布態(tài),點(diǎn)火瞬間形成的壓強(qiáng)波在燃燒室空腔中傳播;點(diǎn)火藥燃?xì)鉀](méi)有進(jìn)入到殼藥間隙,間隙中的溫度和壓強(qiáng)幾乎沒(méi)有發(fā)生改變。

圖5 點(diǎn)火滯后期發(fā)動(dòng)機(jī)溫度云圖Fig.5 Motor temperature cloud image during ignition lag period

圖6 點(diǎn)火滯后期發(fā)動(dòng)機(jī)壓強(qiáng)云圖Fig.6 Motor pressure cloud image during ignition lag period

燃?xì)馓畛淦诎l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)溫度分布和壓強(qiáng)分布分別如圖7、圖8所示,該階段的特點(diǎn)為推進(jìn)劑燃面已經(jīng)完全點(diǎn)燃,推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)忾_始填充燃燒室,燃燒室壓強(qiáng)開始快速爬升,直至到達(dá)平衡壓強(qiáng)。

圖7 燃?xì)馓畛淦诎l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)溫度云圖Fig.7 Motor temperature cloud image during gas filling period

圖8 燃?xì)馓畛淦诎l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)壓強(qiáng)云圖Fig.8 Motor pressure cloud image during gas filling period

由圖7可知,推進(jìn)劑燃燒釋放的高溫燃?xì)庥扇济嫦驀姽芰鲃?dòng),逐步填充整個(gè)燃燒室空腔。少量高溫燃?xì)鈴臍に庨g隙尾部進(jìn)入間隙,壓縮間隙內(nèi)氣體。由于間隙頭部為滯止?fàn)顟B(tài),殼藥間隙深處尚未形成高溫燃?xì)饬鲃?dòng)。直到點(diǎn)火建壓過(guò)程結(jié)束,殼藥間隙頭部溫度上升至1 400 K左右。由圖8可知,在推進(jìn)劑燃?xì)饪焖籴尫乓约皣姽芎聿康淖饔孟?燃燒室建立壓強(qiáng),并穩(wěn)步上升。

3.2 無(wú)量綱殼藥間隙取1.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程分析

3.2.1 僅點(diǎn)火藥工作過(guò)程分析

方案1監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P5的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線如圖9所示。

圖9 無(wú)量綱殼藥間隙取1.5,僅點(diǎn)火藥工作時(shí)P1～P5壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.9 p-t curves of P1～P5 when only ignition powder is working with 1.5 dimensionless shell-charge gap

由圖9可知,在前4 ms,各點(diǎn)壓強(qiáng)上升曲線呈現(xiàn)出波動(dòng)的、有時(shí)間差的上升趨勢(shì),P5到P1的壓強(qiáng)波動(dòng)幅度依次減小、壓強(qiáng)開始上升時(shí)間依次推后。這是由于相比于殼藥間隙,燃燒室空腔壓強(qiáng)直接受點(diǎn)火燃?xì)饬鲃?dòng)的影響,壓強(qiáng)響應(yīng)更快。4 ms之后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)基本一致,并同步上升。這說(shuō)明,無(wú)量綱殼藥間隙取1.5,僅點(diǎn)火藥工作時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火壓強(qiáng)平衡時(shí)間約為4 ms。

方案1監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1,P2,P3與P4的壓強(qiáng)差隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示。由圖10可知,P1,P2與P4的壓強(qiáng)差峰值分布在1.5 ms附近,P3與P4的壓強(qiáng)差峰值分布在1 ms附近,P1與P4的壓強(qiáng)差峰值為2.37 MPa,P2與P4的壓強(qiáng)差峰值為2.01 MPa,P3與P4的壓強(qiáng)差峰值為1.5 MPa。在殼藥間隙作用下,越靠近殼藥間隙頭部壓強(qiáng)峰值越大,所需的壓強(qiáng)平衡時(shí)間越長(zhǎng)。

圖10 無(wú)量綱殼藥間隙取1.5,僅點(diǎn)火藥工作時(shí)P1～P3與P4的壓強(qiáng)差-時(shí)間曲線Fig.10 δp-t between P1～P3 and P4 when only ignition powder is working with 1.5 dimensionless shell-charge gap

方案1監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1,P2,P3與P5的壓強(qiáng)差隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示。

圖11 無(wú)量綱殼藥間隙取1.5,僅點(diǎn)火藥工作時(shí)P1～P3與P5的壓強(qiáng)差-時(shí)間曲線Fig.11 δp-t between P1～P3 and P5 when only ignition powder is working with 1.5 dimensionless shell-charge gap

由圖11可知,P1,P2,P3與P5的壓強(qiáng)差峰值分布在1.5～2.0 ms;P1與P5的壓強(qiáng)差峰值為2.5 MPa;P2與P5的壓強(qiáng)差峰值為2.32 MPa;P3與P5的壓強(qiáng)差峰值為1.51 MPa。跟P1～P3與P4的壓強(qiáng)差相比,P1～P3與P5的壓強(qiáng)差具有峰值更高、初始時(shí)刻為階躍型提升等特點(diǎn)。這是由于P5距離點(diǎn)火位置更近,升壓過(guò)程受點(diǎn)火燃?xì)庵苯佑绊懜蟆？傮w來(lái)說(shuō),P1～P3與P4的壓強(qiáng)差和P1～P3與P5的壓強(qiáng)差的變化規(guī)律與趨勢(shì)十分相似,在后文的分析中,僅對(duì)P1～P3與P4的壓強(qiáng)差隨時(shí)間變化規(guī)律開展分析,作為描述發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程流場(chǎng)特征的關(guān)鍵參數(shù)。

3.2.2 點(diǎn)火藥和裝藥共同工作過(guò)程分析

在方案2中,裝藥燃面約在4.1 ms開始燃燒釋放燃?xì)?剩余點(diǎn)火藥持續(xù)燃燒釋放點(diǎn)火燃?xì)?噴管堵蓋處壓強(qiáng)約在4.3 ms達(dá)到3.5 MPa,完成堵蓋打開,燃?xì)忾_始從噴管出口排出。0～4 ms的流場(chǎng)特性與僅點(diǎn)火藥工作的工況基本相同,各點(diǎn)壓強(qiáng)差隨時(shí)間變化規(guī)律與方案1基本一致,不再分析。這里重點(diǎn)分析4～10 ms的P1～P3與P4的壓強(qiáng)差,即點(diǎn)火藥裝藥共同工作過(guò)程的點(diǎn)火建壓分析。

方案2點(diǎn)火藥裝藥共同工作過(guò)程的P1～P5壓強(qiáng)-時(shí)間曲線如圖12所示。由圖12可知,在4～6 ms各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)上升趨勢(shì)不一致,與僅點(diǎn)火藥工作時(shí)不同,燃燒室空腔壓強(qiáng)穩(wěn)定上升,殼藥間隙壓強(qiáng)出現(xiàn)了滯后的波動(dòng)上升,這同樣是由于殼藥間隙壓強(qiáng)對(duì)流場(chǎng)變化響應(yīng)慢導(dǎo)致的。6 ms后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)基本一致,并同步上升。這說(shuō)明,無(wú)量綱殼藥配間隙1.5時(shí),點(diǎn)火藥裝藥共同工作工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程的總壓強(qiáng)平衡時(shí)間約為6 ms。

圖12 無(wú)量綱殼藥間隙取1.5,共同工作4～10 ms時(shí)P1～P5的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.12 p-t curves of P1～P5 within 4～10 ms when charge and ignition powder working together with 1.5 dimensionless shell-charge gap

方案2裝藥點(diǎn)火藥共同工作4～10 ms的P1,P2,P3與P4壓強(qiáng)差隨時(shí)間的變化如圖13所示。由圖13可知,P1,P2,P3與P4的壓強(qiáng)差出現(xiàn)了二次峰值,這是由于推進(jìn)劑燃燒和噴堵打開使得燃燒室空腔和殼藥間隙的壓強(qiáng)上升速率再次出現(xiàn)了差異,引發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)的二次建壓過(guò)程。壓強(qiáng)差主要出現(xiàn)在4～6 ms,P1與P4的二次壓強(qiáng)差峰值為1.71 MPa;P2與P4的二次壓強(qiáng)差峰值為1.48 MPa;P3與P4的二次壓強(qiáng)差峰值為0.51 MPa。

圖13 無(wú)量綱殼藥間隙取1.5,共同工作4～10 ms時(shí)P1～P3與P4的壓強(qiáng)差-時(shí)間曲線Fig.13 δp-t between P1～P3 and P4 within 4～10 ms when charge and ignition powder working together with 1.5 dimensionless shell-charge gap

3.3 無(wú)量綱殼藥間隙取1時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)初始建壓過(guò)程分析

3.3.1 僅點(diǎn)火藥工作工況分析

方案3監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P5的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線如圖 14所示。由圖14可知,在5 ms前各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)同樣呈現(xiàn)出波動(dòng)的、有時(shí)間差的上升趨勢(shì),規(guī)律與方案1相同,殼藥間隙壓強(qiáng)上升的滯后更加明顯。5 ms之后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)基本一致,并同步上升。這說(shuō)明,無(wú)量綱殼藥間隙取1,僅點(diǎn)火藥工作時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火壓強(qiáng)平衡時(shí)間約為5 ms。

圖14 無(wú)量綱殼藥間隙1,僅點(diǎn)火藥工作時(shí)P1～P5壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.14 p-t curves of P1～P5 when only ignition powder is working with 1 dimensionless shell-charge gap

無(wú)量綱殼藥間隙取1,僅點(diǎn)火藥工作時(shí),P1,P2,P3與P4的壓強(qiáng)差隨時(shí)間的變化如圖15所示。由圖15可知,P1,P2,P3與P4的最大壓強(qiáng)差主要出現(xiàn)在1.5 ms左右,P1與P4的壓強(qiáng)差峰值為2.48 MPa,P2與P4的壓強(qiáng)差峰值為2.05 MPa,P3與P4的壓強(qiáng)差峰值為1.33 MPa。與無(wú)量綱殼藥間隙取1.5時(shí)不同,P1,P2與P4的壓強(qiáng)差在2.5 ms左右出現(xiàn)了較為明顯的第二峰值現(xiàn)象。第一峰值是由于點(diǎn)火藥燃?xì)獠痪鶆蛄鲃?dòng)導(dǎo)致,第二峰值是由于殼藥間隙的壓強(qiáng)響應(yīng)滯后導(dǎo)致的。

圖15 無(wú)量綱殼藥間隙取1,僅點(diǎn)火藥工作時(shí)P1～P3與P4的壓強(qiáng)差-時(shí)間曲線Fig.15 δp-t between P1～P3 and P4 when only ignition powder is working with 1 dimensionless shell-charge gap

3.3.2 點(diǎn)火藥裝藥共同工作分析

方案4中,推進(jìn)劑燃面約在4.1 ms開始燃燒釋放燃?xì)?噴管堵蓋處壓強(qiáng)約在4.3 ms完成打開,剩余點(diǎn)火藥持續(xù)燃燒,燃?xì)忾_始從噴管出口排出,與方案2的計(jì)算結(jié)果基本一致。

方案4裝藥點(diǎn)火藥共同工作4～10 ms的P1～P5壓強(qiáng)-時(shí)間曲線如圖16所示。由圖16可知,燃燒室的一次建壓過(guò)程的壓強(qiáng)尚未平衡,就開始二次建壓過(guò)程,在4～8 ms前各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)有差異,8 ms之后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)基本一致,并同步上升。這說(shuō)明,無(wú)量綱殼藥間隙取1,點(diǎn)火藥裝藥共同工作時(shí),間隙和裝藥空腔的總壓強(qiáng)平衡時(shí)間約為8 ms。

圖16 無(wú)量綱殼藥間隙取1,共同工作4～10 ms時(shí)P1～P5的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.16 p-t curves of P1～P5 within 4～10 ms when charge and ignition powder working together with 1 dimensionless shell-charge gap

方案4裝藥點(diǎn)火藥共同工作4～10 ms的P1,P2,P3與P4壓強(qiáng)差隨時(shí)間的變化如圖17所示。同樣,在推進(jìn)劑燃燒和噴堵打開的雙重作用下,P1,P2,P3與P4的壓強(qiáng)差出現(xiàn)了二次峰值。由圖17可知,P1,P2,P3與P4的二次最大壓強(qiáng)差出現(xiàn)在4～5 ms之間,P1與P4的壓強(qiáng)差峰值為1.93 MPa,P2與P4的壓強(qiáng)差峰值為1.67 MPa,P3與P4的壓強(qiáng)差峰值為0.42 MPa。

圖17 無(wú)量綱殼藥間隙取1,共同工作4～10 ms時(shí)P1～P3與P4的壓強(qiáng)差-時(shí)間曲線Fig.17 δp-t between P1～P3 and P4 within 4～10 ms when charge and ignition powder working together with 1 dimensionless shell-charge gap

3.4 無(wú)量綱殼藥間隙取0.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)初始建壓過(guò)程分析

3.4.1 僅點(diǎn)火藥工作工況分析

方案5監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P5壓強(qiáng)-時(shí)間曲線如圖18所示。由圖18可知,在8 ms前各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)有差異,8 ms之后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)基本一致,并同步上升。這說(shuō)明,無(wú)量綱殼藥間隙取0.5,僅點(diǎn)火藥工作時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火壓強(qiáng)平衡時(shí)間約為8 ms。

圖18 無(wú)量綱殼藥間隙取0.5,僅點(diǎn)火藥工作時(shí)P1～P5的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.18 p-t curves of P1～P5 when only ignition powder is working with 0.5 dimensionless shell-charge gap

方案5無(wú)量綱殼藥間隙取0.5,僅點(diǎn)火藥工作時(shí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1,P2,P3與監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4的壓強(qiáng)差隨時(shí)間的變化如圖19所示。由圖19可知,P1,P2,P3與P4的壓強(qiáng)差出現(xiàn)了雙峰值,第一峰值出現(xiàn)在1.5 ms左右,第二峰值出現(xiàn)在2.5 ms左右,且第二峰值壓強(qiáng)高于第一峰值壓強(qiáng),這說(shuō)明隨著殼藥間隙的進(jìn)一步減小,間隙壓強(qiáng)滯后響應(yīng)的影響已經(jīng)高于點(diǎn)火燃?xì)饬鲃?dòng)。P1與P4的最大壓強(qiáng)差為2.52 MPa;P2與P4的最大壓強(qiáng)差為2.2 MPa;P3與P4的最大壓強(qiáng)差為1.42 MPa。

圖19 無(wú)量綱殼藥間隙取0.5,僅點(diǎn)火藥工作時(shí)P1～P3與P4的壓強(qiáng)差-時(shí)間曲線Fig.19 δp-t between P1～P3 and P4 when only ignition powder is working with 0.5 dimensionless shell-charge gap

3.4.2 點(diǎn)火藥裝藥共同工作分析

方案6中,推進(jìn)劑燃面約在4.12 ms開始燃燒釋放燃?xì)?噴管堵蓋處壓強(qiáng)約在4.28 ms完成打開,剩余點(diǎn)火藥持續(xù)燃燒,燃?xì)忾_始從噴管出口排出,與方案2的計(jì)算結(jié)果基本一致。

方案6裝藥點(diǎn)火藥共同工作4～10 ms的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P5的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線如圖20所示。由圖20可知,燃燒室的一次建壓過(guò)程的壓強(qiáng)尚未平衡,就開始二次建壓過(guò)程;監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4的壓強(qiáng)一直很相近;在10 ms之前,監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1,P2與監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4的壓強(qiáng)有差異。這說(shuō)明,無(wú)量綱殼藥間隙取0.5,點(diǎn)火藥裝藥共同工作時(shí),間隙壓強(qiáng)和裝藥空腔的總壓強(qiáng)平衡時(shí)間約為10 ms。

圖20 無(wú)量綱殼藥間隙取0.5,共同工作4～10 ms時(shí)P1～P5的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.20 p-t curves of P1～P5 within 4～10 ms when charge and ignition powder working together with 0.5 dimensionless shell-charge gap

方案6裝藥點(diǎn)火藥共同工作4～10 ms的P1,P2,P3與監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4的壓強(qiáng)差隨時(shí)間的變化如圖21所示。由圖21可知,P3和P4的壓強(qiáng)差很小;P1,P2與P4的二次最大壓強(qiáng)差出現(xiàn)在6 ms附近;P1與P4的壓強(qiáng)差峰值為3.82 MPa;P2與P4的壓強(qiáng)差峰值為2.9 MPa。

圖21 無(wú)量綱殼藥間隙取0.5,共同工作4～10 ms時(shí)P1～P3與P4的壓強(qiáng)差-時(shí)間曲線Fig.21 δp-t between P1～P3 and P4 within 4～10 ms when charge and ignition powder working together with 0.5 dimensionless shell-charge gap

3.5 殼藥間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)初期工作狀態(tài)的影響分析

為方便分析和描述,將僅點(diǎn)火藥工作時(shí)的間隙與裝藥空腔的最大壓強(qiáng)差定義為點(diǎn)火最大壓強(qiáng)差,壓強(qiáng)平衡時(shí)間定義為點(diǎn)火壓強(qiáng)平衡時(shí)間;將點(diǎn)火藥裝藥共同工作時(shí)的間隙與裝藥空腔的最大壓強(qiáng)差定義為二次最大壓強(qiáng)差,壓強(qiáng)平衡時(shí)間定義為總壓強(qiáng)平衡時(shí)間。

僅點(diǎn)火藥工作條件下,點(diǎn)火壓強(qiáng)平衡時(shí)間及點(diǎn)火最大壓強(qiáng)差隨殼藥間隙的變化規(guī)律如圖22所示。由圖22可知,無(wú)量綱殼藥間隙由1.5減小至0.5,點(diǎn)火壓強(qiáng)平衡時(shí)間由4 ms上升至8 ms,點(diǎn)火最大壓強(qiáng)差由2.37 MPa上升至2.52 MPa。

圖22 點(diǎn)火壓強(qiáng)平衡時(shí)間和點(diǎn)火最大壓強(qiáng)差隨殼藥間隙的變化規(guī)律Fig.22 Variation of ignition pressure equilibrium time and maximum ignition pressure difference with shell-charge gap

點(diǎn)火藥裝藥共同工作條件下,總壓強(qiáng)平衡時(shí)間及二次最大壓強(qiáng)差隨殼藥間隙的變化規(guī)律如圖23所示。由圖23可知,無(wú)量綱殼藥間隙由1.5減小至0.5,總壓強(qiáng)平衡時(shí)間由6 ms上升至10 ms,二次最大壓強(qiáng)差由1.65 MPa上升至3.82 MPa。

圖23 總壓強(qiáng)平衡時(shí)間和二次最大壓強(qiáng)差隨殼藥間隙的變化規(guī)律Fig.23 Variation of total pressure equilibrium time and secondary maximum pressure difference with shell-charge gap

由分析可得,殼藥間隙大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管破堵時(shí)間和推進(jìn)劑點(diǎn)燃時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期,燃燒室的總壓強(qiáng)平衡時(shí)間、點(diǎn)火最大壓強(qiáng)差和二次最大壓強(qiáng)差皆隨著殼藥間隙的減小而增大。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)典型結(jié)構(gòu)的包覆藥柱自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)建立不同殼藥間隙下的點(diǎn)火建壓過(guò)程數(shù)值分析模型,獲得發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期建壓過(guò)程的流場(chǎng)分布特性。

2)對(duì)包覆藥柱自由裝填固體發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),殼藥間隙大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管破堵時(shí)間和推進(jìn)劑點(diǎn)燃時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。

3)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期建壓過(guò)程中,在點(diǎn)火藥工作、推進(jìn)劑點(diǎn)燃以及噴管破堵的作用下,燃燒室中心與殼藥間隙之間壓強(qiáng)存在兩次平衡過(guò)程,且推進(jìn)劑燃燒以及噴管破堵導(dǎo)致的二次最大壓強(qiáng)差高于點(diǎn)火藥工作導(dǎo)致的點(diǎn)火最大壓強(qiáng)差。

4)在僅點(diǎn)火藥工作時(shí),當(dāng)殼藥間隙偏大時(shí),殼藥間隙與燃燒室空腔的壓強(qiáng)差峰值及波動(dòng)主要受點(diǎn)火燃?xì)獾姆蔷鶆蛄鲃?dòng)影響。隨著殼藥間隙減小,間隙壓強(qiáng)滯后響應(yīng)的影響逐漸增大,壓強(qiáng)差出現(xiàn)雙峰值現(xiàn)象,且殼藥間隙越小,壓強(qiáng)差第二峰值越大。

5)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期,燃燒室的總壓強(qiáng)平衡時(shí)間、點(diǎn)火最大壓強(qiáng)差和二次最大壓強(qiáng)差皆隨著殼藥間隙的增大而減小。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi),增大殼藥間隙可有效減小包覆藥柱的內(nèi)外壓差,從而有利于發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期的裝藥結(jié)構(gòu)完整性。