微型脉冲固体火箭发动机侧喷流数值仿真*

张 涵,吴 达,王旭东,汪汝根

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

微型脉冲固体火箭发动机侧喷流数值仿真*

张 涵,吴 达,王旭东,汪汝根

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

针对不同工况条件下的微型脉冲固体火箭发动机侧喷流外流场进行两相流条件仿真研究,除了对不同导弹攻角条件下的两相流进行分析,还探究了弹体表面参数受颗粒的影响情况。研究结果表明:在同一颗粒质量分数条件下,颗粒直径越小,对喷流的控制效果产生消极影响越大;在两相流情况下,颗粒相对干扰流场的结构产生了较大影响,颗粒相对喷流的控制效果起消极作用;导弹处于正攻角时,有利于喷流控制作用,攻角越大,控制效果越好。

两相流;数值模拟;侧喷流

0 引言

在姿轨控发动机的数值模拟研究中,对侧喷流的研究分析是一项重要的工作[1-2]。侧喷流的流场结构复杂,对喷流参数和来流参数的变化十分敏感。因此受到很多研究者关注,Graham M通过对其进行侧向喷流干扰流场的数值仿真,研究表明侧喷流的相关特性受飞行器头部形状的影响不大[3]。Weston P针对喷射出口为圆形和矩形的结构,研究了不同工况下各结构的侧向喷流的干扰流场特性,为射流喷管出口的几何形状选择提供了理论依据[4]。Barber M分析了平板物体上的圆形和楔形喷口的侧向喷流流场,研究表明:喷流出口形状对飞行器表面物面压强分布的影响较大[5]。周伟江等人对其在不同攻角下的气动特性及流场结构进行了研究,认为在不同的攻角状态下侧向喷流干扰流场的旋涡和分离特性存在非常大的区别,干扰流场的气动力变化规律也不同[6]。杨彦广等人建立了侧向喷流的干扰流场模型,分析了侧向喷流在工作初始段和终止段时刻的流场结构形状和气动力系数的变化过程[7]。文中以微型脉冲固体火箭发动机的侧喷流外流场为研究对象,建立相应的物理模型和数学模型,探究弹体表面参数受颗粒的影响情况以及对粒子在不同导弹攻角条件下的两相流进行分析。

1 物理和数学模型

1.1 物理模型简化

本章的物理模型为微型脉冲发动机喷管所影响的外流场区域。

图1 导弹及侧喷流的物理简化模型

图1为微型脉冲发动机在导弹上分布的示意图。取弹体直径大小为特征长度D,导弹圆锥段长大约为2.85D,微型脉冲发动机的喷射口位置距离导弹尖端约为4.25D。

1.2 计算区域与网格划分

图2为导弹及侧喷流建立的相应流场区域,计算区域忽略了导弹尾翼,以弹体直径D为单位,D=40 mm,头锥长2.85D,喷口距离导弹头锥顶端为4.25D,喷口直径为0.05D,弹体壁面向上延伸4D大小建立外流场区域,依据此尺寸图分区建立网格。

计算的网格为三维模型,计算网格使用与Fluent配套的Gambit生成。由于侧喷流附近的外流场特性十分复杂,包含众多复杂的激波结构,对网格进行分区划分,并在喷流位置和贴体位置进行了加密处理,采用结构化网格,网格总数大约为110万个,图3为计算区域网格示意图。

图2 计算区域尺寸图

1.3 边界条件

采用欧拉拉格朗日两相流模型进行气-固两相流条件下的仿真模拟,使用随机颗粒轨道模型进行粒子的追踪[8-9]。来流Ma∞取1.5,来流温度为300 K,喷流入口总压为20 MPa,温度为3 000 K。

1)自由来流条件:采用压力入口条件,确定来流的总压P∞、Ma∞和温度T∞,压力远场边界速度采用来流值,出口采用压力出口,由于流动出口是超音速,各参数按二阶外推得到。规定导弹的攻角为α。

2)喷流边界条件:在喷管入口处,取入口处每个网格边的中点作为粒子的加入点。粒的初始速度、温度及入射角和气相相同,粒子与壁面发生的碰撞为完全弹性碰撞。确定喷流的总压Pj、Maj、喷流温度Tj、喷流与自由来流入口压强比Pj/P∞。颗粒密度ρ=4 004.62 kg/m3,颗粒比热容Cp=1 380 J/( kg·K)[10],颗粒总温为3 000 K,不考虑颗粒的化学反应,不考虑粒子的破碎沉积特性,只考虑相间阻力。颗粒直径范围为1～5 μm。

图3 计算区域网格示意图

3)物面边界条件:壁面为绝热壁,并采用无滑移边界条件。

2 计算结果与分析

2.1 两相流条件下侧喷流干扰流场分析

图4 不同直径颗粒条件下弹体壁面上压强云图

从图4也可以看出,不同直径颗粒下喷流上游的高压区差别不大,纯气相条件下喷口中心有圆形高压区,喷流下游在弹体壁面上的影响范围最小,在直径为1 μm、10 μm、30 μm、50 μm条件下的下游低压区变大,在直径为1 μm处的影响面积最大,这种增大的趋势随着直径的增大而减弱。在50 μm条件下低压区影响范围已经接近纯气相条件。这是由于小尺寸直径的颗粒与燃气的接触面积很大,阻碍了燃气压强的正常释放,而大尺寸颗粒虽然惯性更大,但对燃气影响作用降低,对燃气的阻碍作用不如小尺寸颗粒明显。喷流的低压区对喷流控制效果起有害作用,可见颗粒相的加入使得喷流的控制作用减弱,在进行相关设计中应考虑颗粒相造成的影响。2.2 两相流条件下喷流包裹作用分析

图5 X轴0.168 m截面处压强云图

由图5可知,纯气相和含颗粒相条件下的X轴截面压强云图存在较大差异,主要表现为颗粒相条件下的诱导激波高压区面积减小了,或者说诱导激波区的压强在数值上降低了;两类条件在弹体上造成的压强不均匀分布特性相差不大。各颗粒条件下的压强云图随着直径的不同而变化,在直径为1 μm条件下,喷流激波在外流场中的影响区域变大,喷流造成的低压区域有所减少,随着颗粒直径的增加,喷流激波的影响区域有所减少,在直径为50 μm时,其激波影响在外流场的影响区域范围与纯气相条件下几乎无差别。诱导激波区域下方的低压区面积逐渐增大,但始终小于纯气相条件下的低压区域面积。分析造成这些现象的原因,不难得出,小直径颗粒的惯性小,数量大,对气相的影响作用更强烈,阻碍了气体压强的正常释放;直径大的颗粒,惯性大,相对而言数量少,对气相的影响作用反而更小,导致大直径颗粒对气相的影响类似于纯气相条件。

图6列举了不同颗粒条件下X轴截面上的马赫数分布云图,可知加入颗粒之后,截面的马赫数云图变化较大。在直径为1 μm条件下时,外流场受喷流影响的区域最大,喷流出口的高马赫数区域被划分成小区域的两部分,位于喷口两侧;在直径为5 μm和10 μm条件下时,两部分独立的高马赫数区域面积增大,喷口的出口马赫数也相应地增大;随着颗粒直径的进一步增加,两侧的高马赫数区域进一步增大,逐渐连为一体,喷口出口的马赫数也相应地增加,在直径为50 μm时,其马赫数分布云图类似于纯气相条件下的马赫数云图。这也说明了尺寸小的颗粒对气体的影响更大,更容易造成“速度滞后”的现象,而大尺寸颗粒对气体的影响作用反而有限,对气体马赫数的减小作用小。

图6 X轴0.168 m截面处马赫数云图

从图7可以看出,喷流的作用已经影响到了90°测压线附近,0°测压线的曲线变化最为剧烈,大约在X=0.165 m处出现了脉冲型的高压,曲线图中颗粒直径为1 μm的曲线压强峰值最大,纯气相的压强峰值最小,这也说明了小尺寸颗粒对气体的压强释放无益,导致“压强滞后”现象最为明显。30°、60°和90°测压线上的压强值明显降低,曲线相对而言越来越趋于平滑,在喷流截面处存在一个压强高峰,沿弹体尾部方向出现一个相对低压区域,之后又出现一个压强回升。由图可见喷流对弹体侧面的影响作用越来越弱,其影响范围已经超过90°测压线。

图7 不同测压线上各直径颗粒压强曲线图

2.3 不同攻角条件下侧向喷流两相流分析

导弹在被动段发动攻击时,通常会以不同的攻角进行飞行,不同攻角条件下的导弹参数分布也不一样。

图8列举了在不同攻角条件下颗粒直径为10 μm的对称面流场压强云图,在负攻角条件下,喷流侧面属于迎风侧,图8(a)和图8(b)中的喷流上游高压分离区较小,侧喷流的突起高度较低,下游再分离激波的低压区面积较大,由于上游高压区对喷流的控制起积极作用,而下游低压区则起消极作用,所以,负攻角条件下不利于喷流的控制效果。对比于负攻角条件,当攻角为正时,喷流侧面属于背风区,喷流前的高压分离区面积明显增大,压强值也相应地增加,喷流的突起高度较高,下游的低压区面积较小,随着攻角的增大,这种趋势越加明显。背风区有利于喷流的控制效果。

图8 不同攻角条件下Y轴对称面上马赫数云图

图9列举了在不同攻角条件下对称面上颗粒直径为10 μm流场的马赫数云图,各马赫数云图存在较大差距。当攻角为负时,侧喷流面为迎风面,相对于正攻角时,整个外流场的速度较高,喷流对来流的阻碍作用更加显著,喷流后方的马赫盘较大,随着攻角的减小,马赫盘也变小。当攻角为正时,喷流为背风面,喷流后上方的高马赫数区域面积逐渐减小,外流场的速度整体减小,喷流对来流的阻碍作用有所减弱。由此也可见迎风面喷流对脉冲发动机的控制作用无益,背风面喷流有益于发动机的喷流控制效果。

图10更加直观地说明了不同攻角条件下弹体壁面上的压强分布情况,图中的压强峰值处为喷口位置,随着攻角由负向正的转变,喷口上游的高压区压强值在不断增加,压强峰值几乎无差别,喷流下游的低压区压强值也在逐渐增加。从喷流的控制作用而言,喷流上游高压区对喷流有积极作用,下游低压区起消极作用,可见,正攻角条件有益于喷流的控制作用,负攻角条件无益于喷流的控制效果。

图9 不同攻角条件下Y轴对称面上压强云图

图10 不同攻角条件下弹体0°测压线上压强曲线

3 结论

文中通过建立微型脉冲固体火箭发动机外流场干扰流场的物理模型和数学模型,对外流场计算区域进行结构化网格划分,设定相应边界条件和初始条件,采用欧拉拉格朗日两相流模型进行气固两相流条件下的仿真模拟,使用随机颗粒轨道模型进行粒子的追踪。得出以下结论:

1)在同一颗粒质量分数条件下,颗粒直径越小,随流性越好,颗粒相分散均匀,外流场区域中粒子浓度较低,颗粒相与气相接触的总面积越大,阻碍气相的正常膨胀作功程度越明显,对喷流的控制效果产生更大程度的消极影响;相反,有一定的积极作用。

2)在两相流情况下,颗粒相对干扰流场的结构产生了较大影响,总体而言对喷流的控制效果起到消极作用。

3)导弹处于负攻角时,喷流为迎风面喷流,干扰流场的影响范围减小,不利于喷流的控制作用,喷流的控制效果随着负攻角度数的增加而减弱;导弹处于正攻角时,喷流为背风面喷流,干扰流场的影响范围增大,有利于喷流的控制作用,攻角越大,控制效果越好。

[1] 赵金强, 龙飞, 孙航. 弹道修正弹综述 [J]. 制导与引信, 2005, 26(4): 16-19.

[2] 郝波. 直接侧向力技术的应用研究 [D]. 西安: 西北工业大学, 2004.

[3] GRAHAM M, WEINACHT P. Numerical investigation of supersonic jet interaction for axisymmetric bodies [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2000, 37(5): 675-683.

[4] WESTON P, THAMES F. Properties of aspect-ratio-4.0 rectangular jets in a subsonic cross-flow [J]. Journal of Aircraft, 1979, 16(10): 701-707.

[5] BARBER M, SCHETZ J, ROE L. Normal sonic helium injection through a wedge shaped orifice into a supersonic flow [J]. Journal of Propulsion and Power, 1997, 13(2): 257-263.

[6] 周伟江. 钝头飞行器高超声速侧向喷流干扰流场特性研究 [J]. 宇航学报, 2008, 29(4): 1137-1141.

[7] 杨彦广, 刘君, 唐志共. 横向喷流干扰中的真实气体效应研究 [J]. 空气动力学学报, 2006, 42(1): 28-33.

[8] 郭印诚, 林文漪, 周力行. 三维煤粉燃烧全双流体模型的数值模拟 [J]. 工程热物理学报, 1998, 19(1): 117-120.

[9] 许明. 超重力旋转床中的气液两相流体流动和传质过程的数值模拟研究 [D]. 北京: 北京化工大学, 2004.

[10] 李峥, 向红军. 复合推进剂固体火箭发动机喷流流场数值模拟 [J]. 固体火箭技术, 2014, 37(1): 37-42.

Numerical Simulation of Lateral Jet of Micro Pulse Solid Rocket Motor

ZHANG Han,WU Da,WANG Xudong,WANG Rugen

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

The simulation of two-phase flow conditions in the lateral jet flow field of micro pulse solid rocket engine under different operating conditions was carried out, in addition to analyze two-phase flow at different missile attack angle conditions, and the condition of the surface parameters of missile body influenced by particles was also analyzed. The result of research showed that, under the same particle mass fraction conditions, the smaller the particle diameter, the greater negative influence on the control effect of the jet flow. In the case of two-phase flow, the partile phase had a great influence on the structure of the flow field, and the particle played a negative role in the control of jet flow. When the missile is at the positive angle of attack, it is good for the jet control function, the greater the angle of attack, the better control effect.

two-phase flow; numerical simulation; lateral jet

2015-11-09

航空科学基金(20130196004)资助

张涵(1992-),男,山东菏泽人,硕士研究生,研究方向:航空宇航。

V448.15

A