开口向上的环形腔宽度对弹射载荷的影响

郭佳肄，胡晓磊，孙船斌，张学锋，马大为

(1.安徽工业大学 a.工程实践与创新教育中心； b.机械工程学院; c.计算机学院， 安徽 马鞍山 243002；2.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

【装备理论与装备技术】

开口向上的环形腔宽度对弹射载荷的影响

郭佳肄1a，胡晓磊1b，孙船斌1b，张学锋1c，马大为2

(1.安徽工业大学 a.工程实践与创新教育中心； b.机械工程学院; c.计算机学院， 安徽 马鞍山 243002；2.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

为了研究开口向上的环形腔宽度对低温燃气弹射初容室内载荷的影响，采用计算流体动力学方法，结合SST湍流模型、有限速率/涡耗散燃烧模型和域动分层动网格技术，建立密闭空间导弹弹射过程二次燃烧模型。在与实验对比验证的基础上，结合数值模拟研究了开口向上的环形腔宽度对低温燃气弹射载荷的影响。结果表明：环形腔宽度为110 mm时，弹射载荷变化最平稳，且无明显双峰现象。研究结果为导弹燃气弹射的初容室结构设计提供参考。

计算流体动力学；低温燃气弹射；二次燃烧；载荷

低温燃气弹射具有操作简单和无需热防护等优势，在国内外导弹发射中广泛应用[1]。由于低温推进剂燃烧后产生大量未完全燃烧的气体组分，在空气中产生二次燃烧现象，造成初容室内载荷突然增加，影响导弹出筒参数。针对二次燃烧问题，国内外主要采用有限速率/涡耗散模型进行研究。Luan[2]采用该方法结合气固两相流理论研究了煤的燃烧过程。Dharavath[3]采用有限速率/涡耗散模型建立了氢燃料超燃冲压发动机三维流动模型，获得的燃烧波速度在近尾迹区域与实验吻合较好。迟宏伟[4]采用热解气体有限速率/涡耗散模型研究了冲压发动机燃烧室中PMMA自点火性能。李仁凤[5]运用该方法结合动网格技术研究了低温推进剂燃烧产物对低温弹射内弹道与载荷的影响。胡晓磊、 乐贵高和马大为[6]研究了环形腔的开口方向对弹射载荷和内弹道的影响，结果表明环形腔开口向上时，燃气弹射载荷低于无环形腔和开口向下的环形腔结构。本文在文献[6]的基础上，研究环形腔的宽度对低温弹射载荷的影响。

1 物理模型和计算方法

1.1 弹射装置结构

低温燃气弹射初容室结构如图1所示。从燃气发生器喷出的低温燃气在初容室内二次燃烧，推动尾罩向上运动。

图1 低温燃气弹射初容室结构示意图

1.2 控制方程

由于低温燃气弹射初容室具有轴对称结构特性，采用二维轴对称多组分N-S方程

(1)

式中符号意义参见文献[6]。

湍流模型采用RNGk-ε湍流模型[7]，二次燃烧采用有限速率/涡耗散模型[8]，采用域动分层动网格技术[9]模拟导弹尾罩的运动过程。

1.3 网格模型和边界条件

本文建立了三种网格密度流动模型，分别为10.2万网格、6.7万网格和2.2万网格。提取P点压力和温度载荷作为比较对象。通过分析图2压力曲线和图3温度曲线可见，2.2万网格的P点温度与6.7万和10.2万网格相差较大。综合数值计算经济性，采用6.7万初始计算网格进行数值计算。图4为包含开口向上的环形腔结构网格模型。燃气室压力随时间变化曲线如图5所示。燃气发生器喷喷管入口燃烧产物的组分由CEA软件计算，喷管入口和初容室内初始气体质量分数如图6所示。

图2 不同网格下观测点压力曲线

图3 不同网格下观测点温度曲线

图4 网格模型

图5 入口压力曲线

图6 喷管入口气体质量分数

采用有限体积法对控制方程进行离散，压力梯度、动量方程和湍流方程采用二阶迎风格式。

1.4 数值方法验证.

为了验证数值方法的有效性，对比了无环形腔下观测点P的压力数值计算结果和实验结果，如图7所示。初容室内最大压力直接影响导弹发射时的对地载荷，其精度直接影响数值仿真的参考价值。实验结果与仿真结果均显示了第一个压力峰值最大压力所在位置，实验结果与数值模拟结果误差为6.02%。表明本文的数值计算方法对燃气弹射的工程设计具有指导价值。

图7 观测点压力数值计算曲线与实验曲线

2 结果与分析

图8和图9分别为5种工况的发射筒内观测点压力和温度随曲线，表1为五种环形腔宽度工况的观测点压力数据。

从图8和表1可见，环形腔宽度为60 mm时，在0.261 2t0时刻，存在第一个压力峰值，为0.739 5p0。随着环形腔宽度的增加，第一个压力峰值依次减小。环形腔宽度为130 mm时，观测点压力曲线仅存在一个压力峰值，发生在0.726 4t0时刻，压力为0.712 5P0。环形腔宽度在60～110 mm之间时，随着环形腔宽度的减小，第二个压力峰值依次减小。其中，当环形腔宽度为110 mm时，观测点第二个压力峰值最小，为0.680 8t0。可见环形腔宽度达到130 mm时，抑制了二次反应过程，造成筒内压力出现“单峰”现象。从表1还可以看出，环形腔宽度为110 mm时，筒内第一个压力峰值最小，为0.704 1P0。由此可见，环形腔宽度为110 mm时，发射筒内观测点压力变化最平稳。同时，初容室内的最大压力峰值直接影响导弹的对地载荷，因此开口向上的环形腔宽度为110 mm时对发射地面的损伤小于其他四种工况，在一定程度上提高了发射安全性。从图9可见，五种环形腔宽度下的观测点温度变化趋势相同，都是先升高，后降低。观测点温度在0.87T0左右。这说明环形腔的宽度对初容室内温度影响较小。

综合5种算例压力云图、温度云图以及观测点载荷变化规律可以看出，环形腔宽度为110 mm时，发射筒内压力载荷变化最平稳。

图8 观测点压力曲线

图9 观测点温度曲线

表1 观测点压力数据

3 结论

建立了5种宽度的环形腔结构模型，通过与实验对比，验证了模型的有效性。研究了五种不同宽度的开口向上的环形腔结构，数值仿真结果表明，当环形腔宽度为110 mm 时，导弹出筒过程中，初容室内压力无明显“双峰”现象，且压力峰值最小，对地载荷也最小。说明对初容室环形腔宽度进行合理改进后，可以提高发射安全性。

[1] 李广裕.战略导弹弹射技术的发展[J].国外导弹与航天运载器,1990(7):38-49.

[2] LUAN YAN TSAN,CHYOU YAU-PIN,WANG TING.Numerical analysis of gasification perform via finite-rate model in a cross-type two-stage gasifier[J].International Journal of Heat and Transfer,2013,57:558-566.

[3] DHARAVATH M,MANNA P.CHAKRABORTY D.Thermo chemical exploration of hydrogen combustion in generic scramjet combustion[J].Aerospace Science and Technology,2013,24(1):264-274.

[4] 迟宏伟,魏志军,王利和,等.固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA自点火性能数值研究[J].推进技术,2014,35(6):799-808.

[5] 李仁凤,乐贵高,马大为.燃烧产物特性对燃气弹射内弹道与载荷的影响研究[J].兵工学报,2016,37(2):245-252.

[6] 胡晓磊,乐贵高,马大为,等.环形腔对燃气弹射发射筒二次反应影响数值研究[J].兵工学报,2015,36(6):1024-1032.

[7] SHI T H.A newk-εEddy-viscosity model for high Reynolds number turbulent flows-model development and validation[J].Computers & Fluids，1995，24(3)：227-238.

[8] GUESSAB A,ARIS A,BOUNIF A.Simulation of turbulent piloted methane non-premixed flame based on combination of finite-rate/eddy-dissipation model[J].Mechanika,2013,19(6):657-664.

[9] 姜毅，郝继光，傅德彬.导弹发射过程三维非定常数值模拟[J].兵工学报，2008，29(8)：911-915.

[10]胡晓磊，乐贵高，马大为.燃气弹射发射筒内燃气-空气二次燃烧现象研究[J].弹道学报，2014,26(4)：76-81.

(责任编辑周江川)

Chamber Width Influence on Gas-Ejection Load

GUO Jia-yi1a, HU Xiao-lei1b, SUN Chuan-bin1b, ZHANG Xue-feng1c, MA Da-wei2

(1.a.Center of Engineering Practice and Innovation; b.School of Mechanical Engineering;c.School of Computer Science and Technology, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To study the upward annular chamber width influence on lower-temperature gas-ejection load, the computational fluid dynamics methods, SST turbulent model, Finite-rate/Dissipation model and dynamic mesh method were adopted to establish the ejection secondary-combustion model compared with experimental results and the obstacle width influence on ejection load. Results show that while the annular chamber width is 110 mm, the load change most gently and without double peak value. Results can provide reference for designing initial chamber structure.

computational fluid dynamics; lower-temperature ejection; secondary combustion; load

2016-09-10；

郭佳肄(1986—)，女，硕士，主要从事计算流体动力学研究。

10.11809/scbgxb2016.12.010

郭佳肄，胡晓磊，孙船斌，等.开口向上的环形腔宽度对弹射载荷的影响[J].兵器装备工程学报，2016(12):42-44.

format:GUO Jia-yi, HU Xiao-lei, SUN Chuan-bin,et al.Chamber Width Influence on Gas-Ejection Load[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):42-44.

TJ768

A

2096-2304(2016)12-0042-04

修回日期：2016-09-30