流場分析在彈射座椅研制中的應用

樊虎 練兵 王子田 胡勇 鐘華

摘 要:本文利用Fluent軟件對彈射座椅火箭發動機內流場和噴管羽流rocket efflux,以及座椅彈射二維空間流場進行了數值模擬,并對在座椅研制過程中開展整個座椅彈射空間流場分析的重要性進行了論述。對于座椅彈射火箭內彈道和結構設計,以及雙座彈射過程中噴管羽流的危害評估都具有一定的指導作用,對加強彈射座椅的安全防護和結構改進也有一定的借鑒作用。

關鍵詞:彈射座椅彈射火箭流場分析

中圖分類號:E92 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(a)-0001-02

流場分析就是對所研究的流動區域進行數值分析,從而確定所研究區域內相關流動參數的基本規律。隨著計算機技術的高度發展和應用,數值計算方法得到了迅猛發展,數值分析方法已成為一種非常重要的研究手段。而計算機技術和數值分析方法與流體力學技術的高度結合,就形成了利用計算機和數值分析方法來求解滿足定解條件的流體動力學方程,以獲得流動規律和解決流動問題的專門學問,即計算流體動力學(簡稱CFD)。隨著計算機技術的迅猛發展,計算流體力學在航空、航天、氣象、海洋、輸油、建筑和汽車設計等領域得到了廣泛的應用,并發揮了巨大的作用。在產品研制過程中開展流場分析,對流動過程進行數值分析和模擬,不僅可以為產品設計人員提供設計依據和指導,對產品故障和事故進行失效模式分析,而且還可以對產品試驗進行動態模擬和仿真,從而節約大量的試驗費用。正因為流場分析的這些重要作用,一些與流動相關的民用行業,如空調、污水處理以及環保等也相繼投入大量的人力和物力來開展此項工作。作為飛行員應急逃生的工具,彈射座椅不僅有作為動力裝置的火箭發動機,而且座椅與人在彈射過程中與空氣發生劇烈的相互作用,因而在座椅研制過程中,對火箭發動機內、外流場以及座椅彈射過程中的空間流場都應該進行細致、全面的分析。

1 流場分析的內容和手段

簡單說來,流場分析主要包括三個方面的內容:建模,求解和后處理。建模主要包括繪制物理模型,進行網格劃分和設定邊界條件等,物理模型的繪制可以使用一些常用的二維或三維設計軟件,如CAD、Solidworks或UG、PROE等。網格劃分[3]就是將所求解的區域離散成適當的點或微元體積的集合,劃分的網格主要有結構網格、非結構網格和混合網格三類,劃分網格有很多方法,可以自己編程,也可以使用一些專門的網格生成軟件,如Gambit,icemcfd和gridgen等。設定邊界條件就是給定求解相關流動偏微分方程所需的定解條件,也就是設定流動變量和熱變量在邊界處的值,無非是壓力、速度和質量、溫度等,這些值一般在CFD軟件或程序中進行定義。

求解即是在所給定的邊界條件下,對所依據的相關流動偏微分方程按一定的格式離散成差分方程,然后在劃分的網格節點上進行逐步迭代,直至最終收斂至方程的數值解。因此建立合適的差分方程是求解流動方程的關鍵,離散的差分方程必須準確代表了流動微分方程,差分方法所求得的解才能趨近微分方程的精確解。這部分工作可以利用專用流體分析軟件來完成,也可以自己編制特定的程序來解決。

后處理就是對求解所得到的相關計算數據進行取舍和可視化處理。選擇那些和計算要求相關的、能說明問題的數據,進行圖像生成,如等值線、矢量圖、數值曲線和流動動態模擬圖等。這部分工作就是使求解的計算結果人人都能看懂,并清楚各項流動參數在研究區域的變化趨勢。后處理用一些專用圖像生成小軟件來完成比較方便,如fieldview,tecplot等。

2 流場分析的應用

在座椅研制過程中,主要應在以下三個方面來開展流場分析工作:火箭發動機內流場、噴管羽流場和整個座椅彈射空間流場。

2.1 發動機內流場分析

開展發動機內流場分析工作,可以幫助我們進一步了解火箭發動機內部各流動參數在時間和空間上的變化情況,使我們對發動機的工作過程有一個更微觀、清晰的了解,從而避免一些不合理的發動機結構和內彈道設計。內流場分析包括發動機燃燒室、通道體和噴管內的流動分析,我們既可以研究定常情況下絕熱完全氣體的層流流動,也可以研究非定常情況下兩相加質紊流的流動。圖1是利用Fluent流體分析軟件對某型發動機通道體和噴管部分改進前和改進后所做的粒子軌跡分析。左圖是改進前的通道體和噴管,通道體有一突然收縮結構,近似于長尾管形式;右圖改進后的通道體直徑基本沒有變化。

從圖1左圖我們看到,氣流從燃燒室過來后突然被壓縮,在貼近長尾管內壁處形成了渦流區,燃氣通氣面積近一步減小,燃氣在通過渦流阻力區時,燃氣主流區和渦流區以及渦流區與壁面之間強烈的質量交換和摩擦作用,必然會造成氣流機械能的損失,當這種摩擦效應達到一定程度時,就會導致摩擦壅塞。摩擦壅塞的結果是長尾管能夠通過的燃氣流量減小,前部燃燒室的燃氣發生質量堆積,進而造成燃燒室壓力的迅速增高,當發動機殼體強度不夠時,就會發生爆炸。右圖是取消了長尾管的通道體和噴管的流動情況,氣流沒有發生分離,通道體的長度也被大大縮短,進一步減小了摩擦損失。實踐證明,前一種方案是不可取的,改進是完全有效的。

2.2 噴管羽流場分析

噴管羽流分析就是研究發動機噴出的高溫、高速氣流的各項流動參數在噴管尾部出口空間的變化規律,尤其是羽流影響范圍、軸線壓力分布、馬赫數分布和溫度分布等。火箭發動機噴管羽流場結構隨著飛行參數和發動機內彈道的不同而有較大的差別,膨脹完全與否和不同的飛行馬赫數,會使噴管羽流的范圍和形狀相差甚遠。對于機載導彈,其發射時噴管羽流的影響可能傳至飛機進氣道,使飛機發動機發生喘振,嚴重的會造成飛機發動機工作不穩定進而導致空中停車。對于按指令先后彈射的雙座座椅,由于彈射時間一前一后,因而不可避免地會發生先彈座椅發動機噴射羽流對后彈飛行員的燒蝕和沖刷作用,至于影響程度如何,利用試驗手段是很難確定的,而流場分析就能得出一些理論上的分析結論。圖2是某型發動機噴管羽流場氣流馬赫數等值線圖和噴管軸線溫度分布曲線。

從圖2左圖中我們可以看到在噴管出口附近出現了清晰的馬赫盤和滑移線,噴管羽流范圍在遠場邊界處近似為直線。從右圖我們發現噴管軸心溫度在出口不遠處出現振蕩,這主要是由于膨脹波和壓縮波相互作用的結果,遠離噴管出口區域軸心溫度基本呈下降趨勢,從曲線上我們可以得到不同軸線位置大概的溫度范圍。按照相同的方法,我們也可以對噴管軸心靜壓的變化情況進行詳細分析,從而確定不同位置的壓力值。

2.3 座椅彈射空間流場分析

研究座椅彈射空間的流場特性,能幫助我們進一步了解座椅和飛行員在彈射過程中,那些部位受到的壓力沖擊最大,那些部位的氣流吹襲最強烈,分別達到什么程度,對人體可能造成什么傷害,應該如何改進和防護等,就如研究軍用飛機飛行空間流場特性一樣。圖3是某型教練機飛行空間流場分析圖,左為壓力分布圖,右為馬赫數分布圖。

從圖中我們可以清晰地看出,飛機坐艙區受壓最嚴重,雙翼區受到的氣流吹襲最為厲害,因此應重點加強飛機座艙蓋和雙翼的強度。我們可以按照上述運動飛機流場的分析過程,對座椅的空中彈射流場情況進行一個全面的分析,這樣可以幫助我們從理論上獲得一些關于座椅防護和改進的依據。座椅空間流場分析的重點和難點在于彈射座椅和假人三維模型的構建以及網格的劃分。

3 結語

通過以上的分析,我們發現在座椅研制過程中開展流場分析工作具有十分重要的現實意義。它不僅使相關設計人員對產品的最終設計擁有堅實的理論依據,而且還可以在節約大量試驗經費的情況下獲得一些試驗所不能得到的數據和規律。

參考文獻

[1] 朱自強.應用計算流體力學[M].北京:航空航天大學出版社,2001.

[2] 鐘錫昌,劉學宗譯.計算流體力學[M].科學出版社,1983.

[3] 陶文銓.計算傳熱學的近代進展[M].科學出版社,2001.