意外点火时燃气排导系统流场仿真分析

赵贤超

（92941部队93分队，辽宁 葫芦岛 125001）

0 引 言

导弹意外点火是一种灾难性的事故，可导致发射装置甚至载舰遭到毁灭性的破坏。为最大限度地降低这种事故带来的危害，在发射装置设计过程中必须确保燃气排导系统能将导弹意外点火时产生的高温有毒燃气安全可靠地排出舱外，以保证发射装置内未点火箱弹以及发射装置和载舰的安全。因此，为确保导弹意外点火后不会对相邻箱弹和发射装置产生不利影响，对整个载舰的安全构成威胁，在发射装置设计时，有必要考虑意外点火情况下燃气排导系统内燃气流场的分布特性。

为研究导弹意外点火时燃气排导系统内燃气流的动态特性，以八隔舱舰载导弹垂直发射装置为例，对导弹意外点火时产生的燃气流场进行计算，对部分排气盖被涨破后的流场进行仿真分析，确定了燃气排导系统在不同时刻的压强载荷特性，为垂直发射装置的设计提供了理论参考。

1 计算模型

1.1 控制方程

导弹点火时，从发动机喷出高温、高速气固两相燃气流。为了简化计算，不考虑燃气中固体颗粒的影响。三维、雷诺平均的Navier－Stokes方程组如下：

质量守恒方程为：

动量守恒方程为：

能量守恒方程为：

方程中，ρ，u，p，E分别为燃气流密度、速度矢量、压力和总能。

以有限体积法为基础，湍流模型采用k－ε二方程模型：

湍流粘性系数为：

1.2 物理模型

采用的模型与美国MK－41垂直发射装置相似。垂直发射装置燃气排导系统由压力室、排气道和排气盖三部分组成。压力室分为8个发射位，平时用密封盖密封，战时每个发射位上可安装一枚箱弹（见图1）。8个发射位分为两排，中间与排气道相连。发射位内装有导流板以便于燃气顺利从排气道流出。排气盖为易碎盖，由多块独立的小盖体组成（见图2），当某块小盖体上的压强达到一定值时，该块小盖体可被冲破，实现了排气盖的被动打开。

图1 垂直发射装置示意图Fig.1 Sketch of VLS

导弹发生意外点火时，发射装置排气盖和弹舱盖处于关闭状态。火箭发动机燃气首先冲开发射箱后盖进入压力室，在压力室内经导流板偏转180°后经排气道排出发射装置。在此过程中，燃气流压强直接作用在其余压力室密封盖和排导系统内壁上。

实际导弹垂直发射系统内部燃气流动是复杂的三维流动，在对排导系统内燃气流压强分布特性进行分析时，要区分排气盖被涨破前后排导系统内的不同状态。

排气盖未被涨破前，对燃气排导系统物理模型进行如下简化：

（a）除发射位外，其它隔舱压力室密封盖均封闭；

（b）意外点火导弹的发射箱后盖已打开；

（c）忽略导弹所有外突部件（折叠翼、电缆罩等）对燃气流场的影响，导弹用一圆柱体等效；

（d）忽略导弹运动的影响，假设导弹在发射箱内保持静止。

当排气盖被燃气涨破时，除被涨破排气盖小盖体外，其它排气盖小盖体均为关闭状态。此时，可根据排气盖未涨破前的模拟计算结果，对排气盖上小盖体被涨破1块、2块等多种不同状态分别建立模型进行计算。

2 模拟计算

2.1 计算参数

发动机喷出的高温高压超声速流中不仅含有大量的固体颗粒，且本身成分复杂。在燃气喷射过程中常伴随着复杂的化学反应，甚至出现二次燃烧。在计算过程中对燃气流作如下假设：

（a）燃气流是性质单一、均匀混合的气体，各成分之间无化学反应；

（b）忽略固体粒子的影响和粒子与燃气的动量交换和能量交换；

（c）燃气流的物理粘性系数符合Sutherland定律。

2.2 边界条件

边界条件有3种：壁面边界条件、入口边界条件和出口边界条件。

从导弹发动机喷管收缩段开始计算。入口总温为气体的定压燃烧温度，总压为发动机内燃烧室内的压强。

对于排气盖未被涨破的状态，发射装置的排气盖和弹舱盖均处于关闭状态，所以为无出口边界条件。除入口边界条件外，其它所有区域的边界条件均为壁面边界条件。

对于排气盖被涨破后的状态，在被涨破盖体处设长×宽×高为5m×5m×8m的扩展区域。扩展区域边界压强为环境压强（一个大气压）。

所有燃气排导装置壁面处设置成无滑移的绝热固壁边界条件。

3 计算结果分析

计算过程中，分别在排气盖与压力室密封盖上选取P1～P15共15点、在排气道内壁和压力室内壁上选取P16、P17两点进行计算（见图2）。

图2 计算点分布图Fig.2 Distribution of calculation position

导弹意外点火后，燃气排导系统应该在很短的时间内打开，为燃气流提供排导通道。另外，相同时刻只有排气道内壁和压力室密封盖上的压强低于排气盖上压强时，才能使排气盖最先被燃气流冲开，保证燃气排导系统安全和功能的实现。因此，对于排导系统内燃气流的仿真，首先假设排气盖承受的最大压强为0.2MPa，而排气道和压力室密封盖能承受的最大压强大于0.2MPa，当发动机意外点火后，导弹还没有运动前，由于燃气流的作用，作用在排气盖上的压力先达到0.2MPa时，排气盖被动打开。

图3 燃气排导系统内不同位置压强随时间变化曲线Fig.3 Variation of the pressure with time of different position in gas exhaust

经计算，在意外点火情况下，排气盖上P13～P15点所在位置的压强首先达到破坏压强0.2MPa。因此，在计算过程中，分别对该位置排气盖小盖体被涨破1块、2块和3块等状态下燃气排导系统内部不同位置的压强进行了计算，并进行了对比。由计算结果分析可知：

（1）在导弹意外点火后，燃气排导系统内的压强随着时间逐步上升。在0.245s时刻，排气盖开始受燃气流的作用，但在相同时刻排气道和压力室内的压强低于排气盖上压强（见图3）。由图4可以看出，在导弹点火后0.322s，排气盖上P14点所受向上的作用压力就达到了0.2MPa，导致该点处的排气盖盖体被冲破，随着排气盖压强的继续增加，其它小盖体上的压强将超过0.2MPa，造成排气盖小盖体继续被涨破。图5所示为0.322s时P1～P7点所在压力室密封盖上的压强分布图，可以看出，P7和P3点所处压力室压强较大。

图5 t＝0.322s时压力室密封盖压强分布图Fig.5 Distribution of pressure on cabin strip when t＝0.322s

图6 0.322s后燃气排导系统内不同位置压强随时间变化曲线Fig.6 Variation of the pressure with time of different position in VLS after 0.322s

（2）图6所示为排气盖被部分涨破后排导系统内部不同位置压强随时间变化曲线。可以看出，燃气排导系统内部不同位置压强与排气盖状态有关。在排气盖小盖体被涨破1块的情况下，排气盖未破盖体上的压强仍然继续增加，只是增加幅度变小；在排气盖小盖体被涨破2块的情况下，排气盖未破小盖体上的压强趋于稳定，维持在0.2MPa附近震荡，在这种状态下，排气盖盖体仍然会继续涨破；当排气盖小盖体被涨破3块后，排气盖未破小盖体上的压强开始降低。排气盖被涨破以后，压力室密封盖所受压强并不立刻受其影响，它要迟滞一段时间（大约9ms），在这段时间内，压力室密封盖压强保持以前的规律继续增加，之后，其压强变化规律与排气盖上的变化规律趋于一致。而排气道内壁和压力室内壁则不同，只要排气盖上有1块小盖体被涨破，排气道内壁和压力室内壁上的压强在约10ms的时间内保持排气盖未涨破前的增加趋势，然后压强就开始降低。

4 结 论

成功地采用了求解三维、雷诺平均N－S方程的方法，对舰载垂直发射系统在导弹意外点火情况下燃气排导系统内的燃气流场进行了仿真分析计算，获得了排导系统在排气盖被涨破前后的压强载荷特性。计算结果表明：在导弹发生意外点火情况下，排气盖可以迅速被动打开，为安全、迅速排导燃气提供了通道，实现了排导系统的功能，保证了发射装置和载舰的安全。

［1］ 苗瑞生.发射气体动力学［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］ 傅德彬，刘琦，陈建伟，等.导弹发射过程数值模拟［J］.弹道学报，2004，16（3）：11－15.

［3］ 武晓松.固体火箭发动机工作过程模拟［M］.高等教育出版社，2006.

［4］ 蔺翠郎，毕世华.同心筒发射装置导弹燃气流热效应数值模拟［J］.弹箭与制导学报，2008，28（3）：193－195.

［5］ 姜毅，刘琪，王刚.双喷管火箭发动机燃气流场的三维数值计算与试验［J］.北京理工大学学报，2002，22（4）：418－421.

［6］ 吴利民，陈劲草.垂直发射装置排导系统内燃气流运动研究［J］.舰船科学技术，2007，29（Supplement1）：69－70.