喷水对燃气-蒸汽弹射内弹道影响数值研究

杨　琦，郭佳肄，胡晓磊

（1.安徽工业大学　工程实践与创新教育中心；2安徽工业大学　机械工程学院，安徽　马鞍山　243002）

喷水对燃气-蒸汽弹射内弹道影响数值研究

杨琦1，郭佳肄1，胡晓磊2

（1.安徽工业大学工程实践与创新教育中心；2安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243002）

为研究喷水对燃气-蒸汽弹射动力装置流场和内弹道影响，基于Mixture多相流模型和汽化模型模拟燃气与水的汽化过程，采用动网格技术模拟导弹的运动过程.通过与相关实验对比，验证数值方法的可靠性.研究了喷水和不喷水两种工况下弹射流场和内弹道特性.结果表明：喷水使得燃气-蒸汽弹射动力装置内流场温度和压力降低，减小了导弹的最大加速度和出筒速度，延长了导弹的出筒时间.

燃气-蒸汽弹射；Mixture多相流；汽化模型；动网格；内弹道

燃气-蒸汽弹射具备发射威力大、机动性能优、隐蔽性能高、稳定性能好等诸多优势，在各种发射装置中使用较为广泛.由于燃气与冷却水之间的汽化现象对燃气-蒸汽弹射弹道品质有着较大影响［1］，有必要针对冷却水对燃气-蒸汽弹射内弹道的影响进行研究和分析.目前常用的对燃气-蒸汽弹射过程的方法主要是实验和数值仿真.吕翔［2］采用实验的方法研究变深度发射过程中导弹速度的测量方法.肖虎斌［3］采用雾化理论建立了燃气-蒸汽弹射流场数值模型，研究了弹射过程中流场结构，研究中忽略了导弹的运动过程.陈庆贵［4］分别从内弹道方程出发建立了燃气-蒸汽弹射内弹道物理模型，给出了导弹弹射过程中弹道变化规律，但是没有给出流场分布情况.胡晓磊［5］研究了弹射过程中截面二次流动现象和弹射内弹道变化规律，没有研究注如冷却水对燃气-蒸汽弹射的影响.

本文针对燃气-蒸汽弹射装置，依据多相流理论，结合模拟汽化模型，建立两相流数值模型，研究冷却水对燃气-蒸汽弹射流场、载荷和内弹道的影响.

1　数学模型

燃气-蒸汽弹射流场包含气-液两相混合流动，采用Mixture多相流模型，将液相和气相组成的混合物作为变密度单一流体，建立气液两种流体控制方程，采用有限体积法离散控制方程，压力梯度项采用Standard格式进行离散，使用二阶迎风格式进行动量方程的差分，运用一阶迎风格式进行湍流输运方程的差分，压力-速度耦合选用PISO算法，应用壁面函数对近壁区域进行处理.由于高温燃气与低温冷却水混合时存在掺混现象，本文选用适合完全湍流流动的RNG湍流模型.

2　计算模型与边界条件

2.1计算模型

图1为燃气-蒸汽弹射动力装置模型，由二级喷管、喷水口、弯管、发射筒和弹底等部分基本结构组成.燃气发生器工作原理为二级喷管喷出的燃气射流与喷水口喷出的冷却水混合后形成燃气-蒸汽，进入发射筒底部，形成推力，推动导弹运动.因此，本文中提出的燃气-蒸汽弹射的计算就是从燃气发生器的出口开始进行.

图1　燃气-蒸汽弹射动力装置模型

2.2边界条件

图2　喷管入口压力随时间变化曲线

图2所示的是二级喷管采用压力入口边界条件下压力随时间变化曲线，其中p为燃气压力，p0为初始燃气压力，t为弹射时间，t0为无量纲值.燃气入口温度为3200K.喷水口采用质量流率入口，质量流率为5kg/s，喷水压差为10倍.

3　数值方法的验证

采用稳中数值计算方法对典型的燃气与水的汽化现象进行数值模拟，计算采用四分之一圆柱模型对文献［6］中流场进行数值模拟，将实验中的4个观测点试验温度与数值计算结果的对比如表1所示.

从对比的结果来看，计算温度值略高于试验温度值的5%之内，表明文中建立的数值方法是的有效性和可靠性.

因此采用Mixture多相流体动力学模型结合标准k-ε湍流模型可以实现汽水两相流场的求解，为此开展冷却器内汽水两相流场研究.

表1　数值结果与实验值［6］对比

4　结果与讨论

图3为弹射过程中不喷水纯气相弹射装置中心面温度场云图.从图中可见，发射筒内温度变化在0.1s达到峰值后逐步降低.图4为弹射过程中喷水气液两相弹射装置中心面温度场云图.从图中可见，在0.2s～0.3s，弯管内高温区向发射筒侧偏移.这是由于在这段时间内，垂直向下喷射的燃气流受横向冷却水的冲击，使得高温燃气向弯管中心聚集，同时受到发射筒体积开始增加，弯管内燃气蒸汽混合气体受吸引，向发射筒一侧偏移.

图3　不喷水纯气相弹射装置中心面温度场云图（单位：K）

图4　喷水气液两相弹射装置中心面温度场云图（单位：K）

从图3和图4对比可见，在不喷水工况下，弯管壁面一直受到高温燃气的冲击，同时发射筒内温度为3600K左右.在喷水工况下，弯管壁面温度较低，发射筒内温度为700K左右.可见喷水可以使发射筒内温度降低2900K.

图5为不喷水和喷水两种工作状态下发射筒内温度和压力指标随时间变化曲线.从图中温度曲线对比可见，喷水发射筒内温度的降低有显著的作用.在喷水工况下，发射筒内温度最高为2500K；在不喷水工况下，发射筒内温度最高为4000K，即喷水使得发射筒内最高温度降低了1500K，降幅达到37.5%，其主要原因是冷却水吸收了高温燃气的能量造成的.

图5　发射筒内温度和压力随时间变化曲线

从图5中压力曲线对比可见，不喷水工况下发射筒内压力最大值为9.2MPa；喷水工况下发射筒内最大压力最大值为6MPa.喷水工况可以使发射筒内最大压力降低3.2MPa，降幅达到34.8%.可见喷水工况对降低发射筒内的压力有显著作用.

为了定量研究喷水对弹射内弹道的影响，假定发射筒长为5m，在喷水和不喷水两种工作状态下弹射内弹道曲线如图6所示.导弹出筒时间在喷水工况下为0.36t0，在不喷水工况下为0.27t0，可见，喷水延长了导弹的出筒时间.从弹射过程中加速度a的曲线可以看出，导弹最大加速度在不喷水工况下为225m/s2，在喷水工况下为125m/s2，可见，喷水降低了弹射过程中的导弹最大加速度.从速度v的曲线可以看出，导弹的出筒速度在不喷水工况下为36m/s，在喷水工况下为27m/s，可见，喷水降低了导弹的出筒速度.由弹射内弹道曲线分析可以发现，喷水工况可以降低弹射过程中导弹的最大加速度和出筒速度，同时延迟了导弹的出筒时间.

图6　弹射内弹道参数变化曲线

5　结论

研究了喷水对燃气-蒸汽弹射流场的影响，结果表明喷水可以使得弹射装置内高温燃气区域发生偏移.研究了喷水对发射筒内载荷的影响，结果表明喷水可以使得发射筒内最大温度降低1500K，压力降低3.2MPa.研究了喷水对弹射内弹道的影响，结果表明喷水工况降低了导弹的最大加速度和出筒速度，同时延迟了导弹的出筒时间.

〔1〕李咸海，王俊杰.潜射导弹发射动力系统［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000.

〔2〕吕翔，李江，魏祥庚，张保庆.变深度模拟发射实验导弹出筒速度测量方法［J］.固体火箭技术，2011，34（2）:265-268.

〔3〕肖虎斌，赵世平.燃气-蒸汽式发射动力装置复杂内流场数值模拟［J］.固体火箭技术，2009，32（4）:35-38.

〔4〕陈庆贵，齐强，周源，赵汝岩.发射动力系统内弹道优化设计计算［J］.舰船科学技术，2011，33（5）:91-93.

〔5〕胡晓磊，乐贵高，马大为，李仁凤.水下燃气-蒸汽弹射气-液两相流场数值研究［J］.航空动力学报，2015，30（1）:164-172.

〔6〕Jiang Yi，Ma Yanli，Wang Weichen，Shao Liwu.InhibitionEffectofWaterInjectiononAfterburningof Rocket Motor Exhaust Plume［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2010，23（6）:653-659.

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