火箭飛行速度與射流沖擊作用關系研究

楊　鳴，謝雨彤，王　輝，夏勝禹，王明珠

(1.四川航天系統工程研究所，成都　610100； 2.四川航天計量測試研究所，成都　610100)

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火箭飛行速度與射流沖擊作用關系研究

楊鳴1，謝雨彤2，王輝1，夏勝禹1，王明珠1

(1.四川航天系統工程研究所，成都610100； 2.四川航天計量測試研究所，成都610100)

摘要：通過CFD仿真分析了火箭飛行速度與射流沖擊作用的關系，利用動網格技術模擬火箭不同的飛行速度；將定常計算方法和動網格方法計算結果對比，指出了兩種方法的計算結果產生差異的原因并給出了特征位置選取方法；計算結果表明：不同火箭飛行速度條件下，沖擊作用變化趨勢基本相同但載荷峰值與飛行速度成反比；定常計算方法可以得到與動網格方法相近的結果，但如果計算的特征位置選取不當會出現較大差異；依據自由射流計算結果確定特征位置可以使兩種方法計算結果較為接近。

關鍵詞：火箭飛行速度；射流沖擊；動網格；定常計算；特征位置

Citation format:YANG Ming, XIE Yu-tong, WANG Hui, et al.Research on Relationship Between Rockets Flight Velocity and Jet Impact Effect [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):27-30.

火箭在發射過程中，由發動機噴射出的高溫高壓高速燃氣射流會對發射裝置產生熱沖擊和力沖擊作用。如果結構所受沖擊作用過于強烈或者自身剛強度不足就可能危及結構安全，因此確定作用于結構的射流沖擊載荷變化規律對發射裝置設計具有重要意義[1-3]。

火箭發射過程中與發射裝置存在相對運動，計算結果中需要體現出相對位置變化所帶來的影響。處理相對位置的變化有兩種思路：一是利用動網格技術[4]，這種方法要求事先給出火箭運動規律或者將動力學方程與流場控制方程耦合求解。其優點是求解方法接近實際狀況，得到的計算結果為時間或者路程的連續函數，便于后續分析利用。該方法的缺點是計算時間較長且處理多自由度運動問題時較為困難，而實際上火箭的俯仰、下沉對結構的沖擊是有影響的[5]。另一種處理方法是將非定常問題簡化為定常問題，以火箭飛行規律為基礎，選取若干個特征位置，將火箭發動機布置在該位置上按定常問題計算，結合時間參數，最終得到沖擊作用隨時間或行程的變化規律[6-7]。該方法計算量小，可以建立火箭發動機位于多個不同位置的模型同時進行計算，從而大大提高了計算速度。另外，該方法無需考慮模型中網格的重構，可以很方便地處理火箭的不同姿態。方法的不足在于忽略了火箭速度的影響，需要考慮計算模型特征位置，否則計算結果與實際情況差異可能較大。

本文首先利用動網格技術分析了不同的火箭飛行速度對射流沖擊作用的影響，再將定常計算方法和動網格方法計算結果對比，指出兩者產生差異的原因并給出了特征位置選取方法。

1仿真模型的建立

基于商業CFD軟件FLUENT建立分析模型，分別使用動網格方法和定常方法進行計算，動網格模型使用域動分層技術[8]。使用軸對稱條件下的S-A湍流模型以簡化計算規模，邊界條件如圖1所示，未標識邊界均為壓強出口條件。發動機總壓隨時間變化規律如圖2所示，火箭發動機總溫條件為3 400 K。計算過程中自動輸出監控壁面最大壓強和最高溫度。4種使用動網格計算方案的模型火箭速度分別為10 m/s、40 m/s、80 m/s和160 m/s。

圖1　計算模型邊界條件

圖2　發動機總壓變化規律

2沖擊作用受飛行速度影響分析

圖3、圖4為4種火箭飛行速度條件下監測壁面上所受最大壓強和最高溫度隨火箭行程變化規律示意圖。

圖3　最大壓強隨火箭行程變化規律

圖4　最高溫度隨火箭行程變化規律

由圖3和圖4可知：不同火箭速度條件下，圖線變化趨勢基本相同，都是火箭行程小于2.5 m之前在大致相同的行程位置出現若干個波峰和波谷，之后便轉入較為平滑的下降段；從計算峰值情況來看，火箭速度越快，相應的峰值越低，壓強峰值和溫度峰值如表1所示。

表1　壓強峰值和溫度峰值

3定常方法與動網格方法對比

由于定常方法是在忽略火箭速度，也就是V=0條件下的計算結果，因此火箭的實際運動速度越低則兩種方法的計算結果應當越接近，因此可選取火箭速度V=10 m/s時的計算結果和定常方法計算結果作比較。按定常方法計算時，特征位置距發射箱箱口距離分別為0.04 m、0.84 m、1.64 m、2.44 m、3.24 m、4.04 m、4.84 m、5.64 m、6.44 m、7.24 m和8.00 m。圖5至圖6為采用定常方法和動網格技術(V=10 m/s)計算得到的最大壓強和最高溫度隨火箭行程變化規律示意圖，實心線為定常計算結果，虛線為動網格技術計算結果。

圖5　兩種方法得到的最大壓強變化規律

圖6　兩種方法得到的最高溫度變化規律

從圖5和圖6可以得到以下結論：

1) 兩種方法計算得到的壓強和溫度峰值差別不大，圖像的下降段吻合較好，上升段和下降段分界點出現在火箭行程為2.5m左右時；

2) 在圖像的上升段，兩種方法計算結果差別較大，定常方法的計算結果為一個單峰函數，圖像上升段“波峰-波谷”交替出現的特征基本被“抹平”，溫度計算結果差別尤為顯著。

綜上，采用定常方法計算時如果計算的特征位置選擇不當將和動網格計算結果出現明顯差異。

4定常方法特征位置選取分析

從第3節結論可知，要想利用定常方法得到更加準確的結果，就必須對計算位置進行有針對性的選擇而不能隨意選取，為此先進行沖擊流場特征分析。圖7為燃氣沖擊流場結構示意圖。

圖7　燃氣沖擊流場結構

從圖7可以看出，射流沖擊流場可以看作由兩部分構成，一部分形態與自由射流場結構幾乎一致，可稱為未擾動區；另一部分則為近壁面的擾動區，由于受壁面影響，流場結構較之自由射流場改變很大。顯然，壁面受到的沖擊作用和擾動區前緣的流場形態密切相關。在自由射流狀態下，射流場可視作由數個波節交聯構成，波節與波節交界面區域即為流場形態發生突變的位置，在該位置前后流場壓強、溫度、速度均發生顯著變化。當交界面區域恰好位于擾動區前緣時必然引起壁面所受沖擊作用的變化。因此，只要通過自由射流場計算得到各個波節交界面的準確位置，將定常計算時的特征位置選取為自由射流的整數倍波節長度，就可以改善定常計算結果，使之和按動網格方法計算得到的結果接近。

按照上述思路，先進行自由射流場計算，圖8為射流軸向速度沿火箭發動機軸線分布示意圖，橫坐標原點取發動機出口軸線所在位置。

圖8　射流軸向速度沿火箭發動機軸線分布

依據圖8，重新調整定常計算特征位置距發射箱箱口距離為0.25 m、0.5 m、0.85 m、1.0 m、1.2 m、1.6 m、2.2 m、2.8 m、3.24 m、4.04 m、4.84 m、5.64 m、6.44 m、7.24 m和8.00 m。

調整后的計算結果如圖9、圖10所示，實心線為定常計算結果，虛線為動網格技術計算結果。

圖9　調整特征位置以后最大壓強計算結果

從圖9和圖10可以看出，按照第4節的思路調整定常計算特征位置以后，兩種計算方法得到的結果相符程度大大提高。

5結論

不同火箭速度條件下，結構所受沖擊作用隨火箭行程變化趨勢基本一致；結構所受射流沖擊作用載荷峰值與火箭飛行速度呈反比關系；按定常方法計算時，計算的特征位置需要有針對性的選取，否則計算結果與用動網格計算結果差異較大；結合自由射流計算結果，將定常計算時的特征位置選取為射流的整數倍波節長度，可以得到與動網格方法較為一致的結果。

參考文獻：

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[3]劉群,姜毅,郝繼光.燃氣射流對發射車天線影響分析[J].彈箭與制導學報,2007(3):187-189.

[4]劉少偉,關嬌,王偉,馮剛.燃氣射流對多聯裝導彈發射箱前蓋影響[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2013(2):32-36.

[5]王偉,王學智,劉少偉.傾斜發射導彈燃氣流場數值模擬[J].彈箭與制導學報,2013(4):127-130.

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[7]單時卓,張艷.艦載導彈垂直發射過程中甲板面燃氣流場仿真分析[J].火力與指揮控制,2014(3):73-76+80.

[8]傅德彬,姜毅.用動網格方法模擬導彈發射過程中的燃氣射流流場[J].宇航學報,2007(2):423-426.

(責任編輯周江川)

Research on Relationship Between Rockets Flight Velocity and Jet Impact Effect

YANG Ming1, XIE Yu-tong2, WANG Hui1, XIA Sheng-yu1, WANG Ming-zhu1

(1.Research Institute of Sichuan Aerospace System Engineering, Chengdu 610100, China；2.Sichuan Aerospace Measurement and Test Research Institute， Chengdu 610100, China)

Abstract:The relationship between rockets flight velocity and jet impact effect was researched by CFD simulation. Different rockets flight velocity was simulated by dynamic mesh technology. The calculation results of steady method and dynamic mesh method were compared to analyze the causes for the difference and the selection method of feature position was given. The calculation result show the change trend of impact effect is much the same in different rockets flight velocity conditions, but peak load is inversely proportional to flight velocity. Steady method can get the similarity results of dynamic mesh method, but incorrect selection will cause significant differences. If feature position is chosen by free jet calculation results, the results of two methods will became close.

Key words:rockets flight velocity；jet impact；dynamic mesh；steady calculation；feature position

文章編號：1006-0707(2016)03-0027-04

中圖分類號：TJ214

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.007

作者簡介：楊鳴(1985—)，男，博士研究生，工程師，主要從事裝備理論與裝備技術研究。

收稿日期：2015-11-10；修回日期：2015-11-20

本文引用格式：楊鳴，謝雨彤，王輝，等.火箭飛行速度與射流沖擊作用關系研究[J].兵器裝備工程學報，2016(3):27-30.

【裝備理論與裝備技術】