喷水对车载垂直发射导弹燃气流降温效果研究

于邵祯，姜 毅，刘 涛，程国标，马 波

(1.北京理工大学 宇航学院，北京 100081；2.中国人民解放军92768部队，汕头 515000)



喷水对车载垂直发射导弹燃气流降温效果研究

于邵祯1,2，姜 毅1，刘 涛2，程国标2，马 波2

(1.北京理工大学 宇航学院，北京 100081；2.中国人民解放军92768部队，汕头 515000)

双面导流器将车载垂直发射导弹在发射过程中产生的燃气射流大部分排导到发射车尾部或两侧，但仍有部分高温燃气流冲击到发射车底盘处，对发射车轮胎及车底安装的线缆等设备造成严重的烧蚀。为实现热防护，本文提出对尾焰流场喷水降温措施，通过在发射车底盘安装喷水管，利用液态水的汽化吸热原理对燃气流降温，同时利用喷水射流的冲击作用使燃气流冲击距离减小，实现对发射车轮胎及发射装备的保护，计算结果表明降温效果明显。同时，为研究喷水流速与降温效果之间的关系，利用耦合Mixture多相流模型与组分输运模型建立液态水汽化模型，对不同喷水流速下降温过程进行数值计算，得出喷水流速与降温效果之间的变化规律以及最优化设计指标，为发射车降温装置设计提供参考。

双面导流器；喷水；气液两相流；汽化效应

0 引言

车载导弹垂直发射过程中，一般采用导流器将发动机产生的高温高压燃气排导到车体外开阔空间，以避免燃气流的高温烧蚀作用对发射车及车载设备造成破坏，干扰导弹的正常发射。对于车载导弹垂直发射采用的导流器型面类型以及排导规律等，国内学者已经进行了充分的理论与试验研究。陈劲松等[1]首先对双面型导流器排导规律及导流效果进行了仿真与试验研究；胡晓磊等[2]利用数值计算和试验，对比分析了燃气流对双面导流器和导流器周围地面的热冲击和动力冲击效应；盛文成[3]通过数值分析，对单面、双面和组合形式的导流器流动特性进行了深入研究，得出了燃气流对导流器和周围环境的冲击作用。但以上研究均针对导流器和发射环境所受燃气流冲击作用效果进行分析，并没对发射装备的热防护提出有效改进措施。

对火箭尾焰流场通过喷水实现降温已经在美国肯尼迪航天发射中心MFD(芯级导流槽)导流装置中使用，并且航天中心的Bruce T Vu等[4]应用数值计算方法，对喷水降温效果进行了仿真分析。国内马艳丽、周帆等[5-7]通过试验与数值计算方法，对固体火箭发动机尾焰注水流场进行了研究。本文以双面导流器为例，对某车载导弹垂直发射双面导流器排导效果进行简要概述，并在此基础上提出了一种喷水降温装置。通过数值计算，对喷水降温装置的降温效果进行了研究，并得出不同喷水流速与降温效果之间的变化规律，提出了优化方案，该设计方案能够有效地保护车底盘的非耐温设备，同时该设计方案设备简单，操作维护方便，有效地提高了导弹发射成功率，确保发射设备的安全和可靠性。

1 物理模型描述

1.1 燃气流排导物理模型

车载垂直发射导弹物理模型如图1所示，包括车轮、车身、液压支撑腿、导弹和导流器。其中，车轮为橡胶材质，最易受到燃气流的烧蚀作用；导流器包括双面导流槽和支架。

(a)发射装置模型

(b)导流器模型

1.2 喷水装置物理模型

冷却水降温装置采用图2所示的物理模型，该装置主要由高压气瓶(1)、水箱(2)和喷水系统(3)组成，固定在发射车车厢底部靠近车尾位置。其实现功能是通过高压气瓶内压缩器与水箱联通，在高压气作用下，使水箱内常温水流向喷头并由喷嘴流出形成射流。

图2(b)为喷头装置三维图和剖面A-A视图，中间打孔部位喷嘴为锥形喷嘴，有一定的收缩角，设计结构如图2(c)所示。

为了能更好的实现降温效果，喷水方向设置为与地面45°倾角方向指向车头。这样的设计利用水流与燃气流的伴随流动机理，实现两者的充分接触，最大程度地吸收燃气流热能，实现降温效果。

(a)降温系统示意图

(b)喷头系统物理模型

(c)喷嘴模型

2 数值计算方法

2.1 湍流模型

本文在湍流计算中，使用两方程模型中的重整化群(Renormalization Group)方法，即RNGk-ε模型[8]。该模型通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除，得到k方程和ε方程如下：

(1)

该模型可更好地处理高应变率和流线弯曲程度较大的流动。

2.2 Mixture多相流模型

Mixture模型是一种欧拉-欧拉模型[9]，在该模型中，各相被当作可互相融合的连续相，通过向流体力学基本控制方程中引入体积分数的概念来模拟各相的分布。Mixture模型求解混合物的连续性方程、动量方程和能量方程，其中各方程均考虑了汽化模型、颗粒运动和化学反应模型。通过相对速度来描述次要相的速度，当相对速度为零时，则描述的流动为均匀多相流动。

2.3 液态水汽化模型

汽化包括蒸发和沸腾2种方式。蒸发是在液体表面、在任何条件下进行的缓慢汽化过程，液体温度越高，蒸发越剧烈。沸腾指液体表面和内部同时进行的剧烈汽化现象，它是在一定的外部压力下，当液体温度升至一定值时，液体内部产生大量汽泡，汽泡上升至表面破裂而放出大量蒸汽，这种液体的汽化方式即为沸腾。因为沸腾可产生大量蒸汽，所以作为工质使用的蒸汽一般是通过沸腾方式获得的。

如图3所示，液态水的汽化过程分为定压加热(a-b)、定压汽化(b-c)和定压过热(c-d)3个阶段。其中，在定压加热阶段，水的比热容变化较小，吸热量可忽略不计，在定压汽化阶段即沸腾汽化过程，该过程是主要的热能转化阶段，液态水吸收燃气的大部分热量，液态水由液态全部转变为气态。

图3 液态水汽化过程Fig.3 Diagram of liquid water gasification process

在此过程中，能量转换可表述为

ΔH=h″-h′=(u″-u′)+p(v″-v′)

(2)

其中，ΔH为汽化潜热，蒸汽初始状态(图中b点)成为干蒸汽用“″”表示，末状态称为干饱和蒸汽用“′”表示，文献[10]可查询液态水所对应状态汽化潜热值。

对干饱和蒸汽c继续加热，则干蒸汽的温度升高。将温度高于该压力下饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽。定压加热过程由图3中的c-d线表示，该阶段所需的热量用q表示，则有

(3)

式中Cp为平均定压比热。

2.4 液态水汽化方程

导弹发射过程中，高温高压的燃气被导流器排导到发射车周围环境，部分排导到车厢底部的燃气与水流交汇，由于燃气温度很高(3 000 K左右)，因此在交界面上会产生剧烈的汽化现象。计算中，根据水的饱和温度计算水的汽化率，得到的计算模型表示如下。

液态水汽化公式:

(4)

水蒸气凝结公式:

(5)

2.5 边界条件设置

计算中，设置发动机喷管入口截面为压强入口，燃烧室压强在0.04 s时，线性上升到7 MPa，燃气总温为3 000 K，喷水管设置为速度入口，喷水管出口水流速度设置为60 m/s。燃气射流外边界条件为压强出口，环境压强为101 325 Pa，环境温度为300 K。计算模型采用六面体网格划分，总数为220万，模型网格划分如图4所示。

(a)整体网格划分示意图

(b)导流器上网格划分示意图

3 结果与讨论

3.1 未加喷水导流效果分析

图5～图7为未喷水状态下燃气流流场分布。图5中显示，高温燃气流在近地面处大部分被导流器排导到发射车两侧，但仍有少部分燃气流扩散到发射车周围，使得发射车所处环境受到高温影响，燃气流温度约在1 500 K左右，车轮处于高温环境中，同时观察燃气流在车轮后部的流动情况，高温部分被车轮分为两股。因此，可判断燃气流对车轮造成一定的冲击作用。图6为对称面上燃气流温度场分布。

译介学是以跨民族、跨语言、跨文化和跨学科为比较视域而展开的一支文学翻译互动的研究。其学理基础是“国别文学”与国际文学交流的存在，主要研究译家译作与国别文学发展之间的互动关系，也研究译作对输入国文学技巧的影响。[12]

从图6可看出，部分燃气流透过导流器空隙冲击到发射车车厢底部，越靠近地面，燃气流温度越高。

图5 地面温度分布Fig.5 Diagram of static temperature on the ground

图6 对称面燃气流温度分布云图Fig.6 Diagram of static temperature on the symmetry plane

图7 发射车车厢底部及车轮温度分布云图Fig.7 Diagram of static temperature at the bottom of the launcher and the tire

从图7可看出，导弹发射时，燃气流对车轮的高温烧蚀作用显著，在车轮下半部分周围燃气流温度高达800 K，同时在车厢底部也存在一定的温升。由于导弹发射过程中，在发射车底部通常布置有通信线缆，且发射车车轮也属于非耐高温部件。因此，从以上分析可得出，对于车厢底部以及车轮仍需采取一定的热防护措施，以保证导弹的正常发射。

3.2 喷水降温效果分析

图8～图10为喷水降温后燃气流温度分布云图。从图8可看出，喷水效果使得燃气流在地面的温度分布区域减小，尤其是车轮所在位置，相比不喷水状态图5，温度下降明显。在图9所示的对称面温度云图中，燃气流沿车厢后部的流动被水流截断，车厢下部基本没有高温燃气流流动。从图10所示的车厢底部及轮胎表面处燃气流温度分布中可看出，相比图7，轮胎表面最高温度明显下降，车厢面上燃气流高温位置前移，但总体温升不高。由此可见，采用喷水降温设备能够实现对车载设备的降温目的。

从图11所示液态水质量转移速率云图中可看出汽化过程发生的主要位置，由图11中汽化发生位置可判断出，燃气流在该位置处被水流截断，在靠近地面位置，汽化现象伴随燃气流流动向车轮方向延伸，但汽化速率逐渐降低，在车轮附近基本没有汽化现象发生。因此，可证明在车轮位置几乎没有燃气流的流动。

图8 喷水降温后地面温度云图Fig.8 Diagram of static temperature on the ground after cooling

图9 喷水后对称面温度云图Fig.9 Diagram of static temperature on the symmetry plane after cooling

图10 喷水后车厢底部及车轮温度分布云图Fig.10 Diagram of static temperature at the bottom of the launcher and the tire after cooling

图11 喷水过程中液态水质量转移云图Fig.11 Diagram of liquid mass transfer rate during the weter spraying process

图12为地面平均温度变化曲线。曲线的波动原因是由于液态水与燃气的耦合作用出现脉动现象。但地表平均温度基本保持在稳定状态，约为1 650 K；同时，由地面平均温度变化曲线也可得到：燃气流与液态水的相互作用在0.02 s后处于稳定状态。

图13为轮胎表面燃气流温度最大值和平均值的变化曲线，在最大值变化曲线中出现2个较大的波峰后，基本处于稳定状态。从时间分析可知，出现时间在0.02 s的波峰是由于燃气流初始超压造成，而0.04 s时刻波峰是由于初始燃气流中未与液态水充分作用的前缘气流所致。从0.04 s峰值过后，轮胎表面温度基本稳定，可认为此刻液态水汽化进入稳定状态。从轮胎表面平均温度变化曲线中也可验证以上结论。

图13 轮胎表面温度变化曲线Fig.13 Diagram of static temperature around the tire

图14为液态水汽化过程质量转移速率。从变化曲线中可看出，汽化现象在0.07 s后达到稳定状态，此刻弹体发动机燃烧室内参数也处于稳定状态。因此，根据0.07 s之后汽化速率变化情况，通过对从水流入口流入的水量和计算域内剩余水量积分，可得出该状态下液态水汽化率为90.4%。

表1 2种状态下温度参数对比Table1 Comparison of the temperature parameters of the two states K

图14 质量转移速率Fig.14 Diagram of mass transfer rate

3.3 喷水降温优化设计

利用液态水汽化吸热实现对导弹发射装置的降温过程中，导弹喷出燃气射流能量值基本处于恒定状态，降温效果主要取决于液态水的汽化吸热量。因此，通过对水流速的改变，可实现液态水汽化总量的变化，提高降温效果，同时改变水流速，可改变液态水冲量，从而改变水流对燃气流的冲击作用，最终限制燃气流的流动范围。因此，选取液态水流速为20、30、35、40、55、60 m/s几种典型状态来对比降温效果。

图15为流速不同时车轮表面燃气流温度变化曲线。为清楚说明降温效果，将不同状态数据分为图15(a)、(b)2组数据，从图15(a)中可看出，在最初0.05 s时间段3种状态参数基本一致，此时燃气流与水流的耦合作用，并未达到稳定状态，在0.05 s后，从轮胎表面出现温度最高值分析可得到：20、30 m/s喷水降温效果优于35 m/s，30 m/s喷水降温效果。图15(b)所示20、40、60 m/s喷水效果则出现递变规律，60 m/s水流速喷水效果最优。出现这种现象的原因主要是由于液态水的汽化量和气液两相的瞬时冲量。在20 m/s喷水状态下，液态水冲量相对燃气流的冲量较小，因此会出现水流伴随燃气流流动的现象，燃气流夹带部分液态水在流动过程中实现吸热降温，最终导致燃气流冲击到轮胎部位后总能量下降，温度降低。而随着水流流速的增加，水流的冲量增大，使得对于燃气流的截断效果增强。因此，燃气流大部分没有冲破喷水管形成的水幕，无法直接冲击到轮胎表面，这也是图15(b)中燃气流变化较稳定的原因。而对于图15(a)中35 m/s喷水降温效果是由于气液两相的冲量相当，所以会有明显的波动状态。

(a)20、30、35 m/s

(b)20、40、60 m/s

图16为几种流速状态下地面的平均温度变化。从温度变化的脉动现象中也可看出，气液两相之间的耦合作用基本处于一个动态平衡状态。

汽化速率的主要影响因素有气液两相间的温度差、接触面积2个方面。从图17(a)中可得出，在20 m/s流速下，液态水汽化速率明显高于40 m/s状态。因此，可判断20 m/s流速状态气液两相接触面较大。从图17(b)得到40、55 m/s 2种流速状态汽化速率基本一致，可判断气液两相流场在这两种工况下数值计算正确，气液两相流场相互作用处于稳定状态。对比可知，燃气流被水流截断，此状态下液相冲量占据主导地位。结合图17(a)60 m/s状态，因此不难得出在60 m/s流速下由于流速的增加，汽化速率增大的趋势。在30、35 m/s 2种状态下基本处于气液两相瞬时冲量相当的状态。

表2为不同流速状态下计算得到的燃气流汽化率。对于计算时间原点的设定，通过对比图15～图17的原始数据可知，在0.06 s时刻气液两相状态基本稳定。因此，选取该时间点作为计算汽化率时间起点，截取表2各状态下不同时间段内液态水流入量和剩余量进行积分后并计算得出。从表2数据对比中可得出结论，在60 m/s流速状态下，喷水降温效果最佳。但20 m/s流速状态下各项指标较好，在满足降温条件的前提下，选择20 m/s流速喷水降温可减少用水量、降低高压气瓶气压。

(a)20、30、35、40 m/s

(b)20、55、60 m/s

(a)20、35、40、60 m/s

(b)20、40、55 m/s

表2 不同喷水速率下汽化率Table2 Comparison of the gasification rate with the speed of water jet

4 结论

(1)车载双面导流器在不喷水发射导弹状态下，部分高温燃气流会流向发射车车底及轮胎部位，造成一定的烧蚀。尤其是燃气流受到车轮的阻滞，造成在车轮表面气流温度较高，达到800 K，对于橡胶制品来说，处于危险工作状态。另外，在车厢底部离地一定高度内燃气流温度较高，对于车底布置线缆等仍处于高温工作状态。

(2)在车箱底部设计喷水降温装置，利用常温状态下液态水的汽化吸热原理以及两相流的冲击作用，能够对冲击到发射车底部的燃气流有效抑制，对于车轮的热防护效果显著，使车轮表面气流温度最高值降低到670 K，处于安全工作状态。同时，在60 m/s喷水速度下，燃气流被有效地阻断，消除了车厢底部高温燃气的潜在危害。

(3)液态水流速是喷水降温效果的影响因素之一。一方面，喷水流速影响喷水总量，使得在单位时间内液体汽化总量发生变化，燃气流内能减小，温度降低；另一方面，影响水流冲量，造成在液相与气相的耦合过程中，液相水对气流的截断，阻滞燃气流向车头方向扩散。

(4)喷水流速的增加与降温效果的变化规律存在非线性，在流速由20 m/s增加至30 m/s或35 m/s后，车轮轮胎表面的最高温度反而升高，在流速达到40 m/s后，降温效果随喷水流速的增加基本呈现线性降低的变化趋势。分析在4种状态下喷水流速的变化对于液态相的影响，主要是喷水总量和喷水瞬时冲量2个方面，从液态水总汽化量随流速的增加基本呈递增变化。因此，可推断出现以上降温效果的原因在于液态水的瞬时冲量的变化，气液两相瞬时冲量的相对变化，引起在交界面上两相耦合作用发生变化，最终导致以上现象发生。

[1] 陈劲松, 林禹.双面导流器排导规律研究[J].导弹与航天运载技术, 2006(2): 11-5.

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[3] 盛文成.燃气导流器的流动特性数值分析[D].南京：南京理工大学, 2011.

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(编辑：崔贤彬)

Study on the cooling effect of water injection on flame of vertical launch system

YU Shao-zhen1,2, JIANG Yi1, LIU Tao2, CHENG Guo-biao2, MA Bo2

(1.School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China；2.Troops No.92768 of PLA, Shantou 515000, China)

The double-faced deflector is designed for vertical launch system with which the jet flow can be drained to the both sides and the rear region. However, there is still a small part of high temperature flow seriously inpacting on the bottom of the vehicle where the communication cable and the rubber tire are mounted. In order to achieve the purpose of thermal protection, a new water-cooling system is designed, which is fixed on the chassis with water-injection pipe. This design is based on the endothermic gasification principle to reduce the energy of jet flow; besides, the impulse of water flow can also be used to cut off the gas flow to reduce the high temperature region. The result shows the thermal protection is effective. What's more, the corresponding relation ship between water velocity and the cooling effect is studied through the numerical calculation in which the coupling of mixture multiphase model and species transport model are used. The optimized design can also be regarded as a theoretical reference for engineering application.

double-faced deflector；water injection；gas-liquid two-phase flow；vaporization effect

2014-04-30；

：2014-05-12。

于邵祯(1984—)，男，博士生，研究方向为燃气射流研究与计算。E-mail:bitysz@bit.edu.cn

V553

A

1006-2793(2015)05-0628-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.05.005