流场分析在弹射座椅研制中的应用

樊虎 练兵 王子田 胡勇 钟华

摘 要:本文利用Fluent软件对弹射座椅火箭发动机内流场和喷管羽流rocket efflux,以及座椅弹射二维空间流场进行了数值模拟,并对在座椅研制过程中开展整个座椅弹射空间流场分析的重要性进行了论述。对于座椅弹射火箭内弹道和结构设计,以及双座弹射过程中喷管羽流的危害评估都具有一定的指导作用,对加强弹射座椅的安全防护和结构改进也有一定的借鉴作用。

关键词:弹射座椅弹射火箭流场分析

中图分类号:E92 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(a)-0001-02

流场分析就是对所研究的流动区域进行数值分析,从而确定所研究区域内相关流动参数的基本规律。随着计算机技术的高度发展和应用,数值计算方法得到了迅猛发展,数值分析方法已成为一种非常重要的研究手段。而计算机技术和数值分析方法与流体力学技术的高度结合,就形成了利用计算机和数值分析方法来求解满足定解条件的流体动力学方程,以获得流动规律和解决流动问题的专门学问,即计算流体动力学(简称CFD)。随着计算机技术的迅猛发展,计算流体力学在航空、航天、气象、海洋、输油、建筑和汽车设计等领域得到了广泛的应用,并发挥了巨大的作用。在产品研制过程中开展流场分析,对流动过程进行数值分析和模拟,不仅可以为产品设计人员提供设计依据和指导,对产品故障和事故进行失效模式分析,而且还可以对产品试验进行动态模拟和仿真,从而节约大量的试验费用。正因为流场分析的这些重要作用,一些与流动相关的民用行业,如空调、污水处理以及环保等也相继投入大量的人力和物力来开展此项工作。作为飞行员应急逃生的工具,弹射座椅不仅有作为动力装置的火箭发动机,而且座椅与人在弹射过程中与空气发生剧烈的相互作用,因而在座椅研制过程中,对火箭发动机内、外流场以及座椅弹射过程中的空间流场都应该进行细致、全面的分析。

1 流场分析的内容和手段

简单说来,流场分析主要包括三个方面的内容:建模,求解和后处理。建模主要包括绘制物理模型,进行网格划分和设定边界条件等,物理模型的绘制可以使用一些常用的二维或三维设计软件,如CAD、Solidworks或UG、PROE等。网格划分[3]就是将所求解的区域离散成适当的点或微元体积的集合,划分的网格主要有结构网格、非结构网格和混合网格三类,划分网格有很多方法,可以自己编程,也可以使用一些专门的网格生成软件,如Gambit,icemcfd和gridgen等。设定边界条件就是给定求解相关流动偏微分方程所需的定解条件,也就是设定流动变量和热变量在边界处的值,无非是压力、速度和质量、温度等,这些值一般在CFD软件或程序中进行定义。

求解即是在所给定的边界条件下,对所依据的相关流动偏微分方程按一定的格式离散成差分方程,然后在划分的网格节点上进行逐步迭代,直至最终收敛至方程的数值解。因此建立合适的差分方程是求解流动方程的关键,离散的差分方程必须准确代表了流动微分方程,差分方法所求得的解才能趋近微分方程的精确解。这部分工作可以利用专用流体分析软件来完成,也可以自己编制特定的程序来解决。

后处理就是对求解所得到的相关计算数据进行取舍和可视化处理。选择那些和计算要求相关的、能说明问题的数据,进行图像生成,如等值线、矢量图、数值曲线和流动动态模拟图等。这部分工作就是使求解的计算结果人人都能看懂,并清楚各项流动参数在研究区域的变化趋势。后处理用一些专用图像生成小软件来完成比较方便,如fieldview,tecplot等。

2 流场分析的应用

在座椅研制过程中,主要应在以下三个方面来开展流场分析工作:火箭发动机内流场、喷管羽流场和整个座椅弹射空间流场。

2.1 发动机内流场分析

开展发动机内流场分析工作,可以帮助我们进一步了解火箭发动机内部各流动参数在时间和空间上的变化情况,使我们对发动机的工作过程有一个更微观、清晰的了解,从而避免一些不合理的发动机结构和内弹道设计。内流场分析包括发动机燃烧室、通道体和喷管内的流动分析,我们既可以研究定常情况下绝热完全气体的层流流动,也可以研究非定常情况下两相加质紊流的流动。图1是利用Fluent流体分析软件对某型发动机通道体和喷管部分改进前和改进后所做的粒子轨迹分析。左图是改进前的通道体和喷管,通道体有一突然收缩结构,近似于长尾管形式;右图改进后的通道体直径基本没有变化。

从图1左图我们看到,气流从燃烧室过来后突然被压缩,在贴近长尾管内壁处形成了涡流区,燃气通气面积近一步减小,燃气在通过涡流阻力区时,燃气主流区和涡流区以及涡流区与壁面之间强烈的质量交换和摩擦作用,必然会造成气流机械能的损失,当这种摩擦效应达到一定程度时,就会导致摩擦壅塞。摩擦壅塞的结果是长尾管能够通过的燃气流量减小,前部燃烧室的燃气发生质量堆积,进而造成燃烧室压力的迅速增高,当发动机壳体强度不够时,就会发生爆炸。右图是取消了长尾管的通道体和喷管的流动情况,气流没有发生分离,通道体的长度也被大大缩短,进一步减小了摩擦损失。实践证明,前一种方案是不可取的,改进是完全有效的。

2.2 喷管羽流场分析

喷管羽流分析就是研究发动机喷出的高温、高速气流的各项流动参数在喷管尾部出口空间的变化规律,尤其是羽流影响范围、轴线压力分布、马赫数分布和温度分布等。火箭发动机喷管羽流场结构随着飞行参数和发动机内弹道的不同而有较大的差别,膨胀完全与否和不同的飞行马赫数,会使喷管羽流的范围和形状相差甚远。对于机载导弹,其发射时喷管羽流的影响可能传至飞机进气道,使飞机发动机发生喘振,严重的会造成飞机发动机工作不稳定进而导致空中停车。对于按指令先后弹射的双座座椅,由于弹射时间一前一后,因而不可避免地会发生先弹座椅发动机喷射羽流对后弹飞行员的烧蚀和冲刷作用,至于影响程度如何,利用试验手段是很难确定的,而流场分析就能得出一些理论上的分析结论。图2是某型发动机喷管羽流场气流马赫数等值线图和喷管轴线温度分布曲线。

从图2左图中我们可以看到在喷管出口附近出现了清晰的马赫盘和滑移线,喷管羽流范围在远场边界处近似为直线。从右图我们发现喷管轴心温度在出口不远处出现振荡,这主要是由于膨胀波和压缩波相互作用的结果,远离喷管出口区域轴心温度基本呈下降趋势,从曲线上我们可以得到不同轴线位置大概的温度范围。按照相同的方法,我们也可以对喷管轴心静压的变化情况进行详细分析,从而确定不同位置的压力值。

2.3 座椅弹射空间流场分析

研究座椅弹射空间的流场特性,能帮助我们进一步了解座椅和飞行员在弹射过程中,那些部位受到的压力冲击最大,那些部位的气流吹袭最强烈,分别达到什么程度,对人体可能造成什么伤害,应该如何改进和防护等,就如研究军用飞机飞行空间流场特性一样。图3是某型教练机飞行空间流场分析图,左为压力分布图,右为马赫数分布图。

从图中我们可以清晰地看出,飞机坐舱区受压最严重,双翼区受到的气流吹袭最为厉害,因此应重点加强飞机座舱盖和双翼的强度。我们可以按照上述运动飞机流场的分析过程,对座椅的空中弹射流场情况进行一个全面的分析,这样可以帮助我们从理论上获得一些关于座椅防护和改进的依据。座椅空间流场分析的重点和难点在于弹射座椅和假人三维模型的构建以及网格的划分。

3 结语

通过以上的分析,我们发现在座椅研制过程中开展流场分析工作具有十分重要的现实意义。它不仅使相关设计人员对产品的最终设计拥有坚实的理论依据,而且还可以在节约大量试验经费的情况下获得一些试验所不能得到的数据和规律。

参考文献

[1] 朱自强.应用计算流体力学[M].北京:航空航天大学出版社,2001.

[2] 钟锡昌,刘学宗译.计算流体力学[M].科学出版社,1983.

[3] 陶文铨.计算传热学的近代进展[M].科学出版社,2001.