易碎蓋開啟過程流場計算與分析

靖建全,傅德彬,王新星,韓 磊

(1 北京理工大學宇航學院,北京 100081;2 中國兵器工業導航與控制技術研究所,北京 100089)

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易碎蓋開啟過程流場計算與分析

靖建全1,傅德彬1,王新星2,韓 磊2

(1 北京理工大學宇航學院,北京 100081;2 中國兵器工業導航與控制技術研究所,北京 100089)

發射裝置中采用的易碎蓋開啟方式涉及復雜的流動現象。針對發射箱后蓋達到開啟條件后邊界條件的變化對流動計算帶來的困難,采用動網格技術模擬后蓋脫落運動過程,并利用分區邊界的類型變化模擬后蓋破裂過程,對易碎蓋開啟過程發射箱內的流場變化情況進行了研究。通過對比后蓋達到開啟條件后邊界的不同處理方式所對應的流場情況,認識到達到開啟條件時后蓋運動和破碎過程對發射箱內燃氣擾動波的產生和傳遞有重要影響。

易碎蓋;燃氣射流;數值模擬

0 引言

易碎蓋技術在國內外筒式發射裝置中得到了廣泛應用,采用該技術的開蓋過程也受到廣泛關注[1-4]。當前后蓋均采用易碎蓋時,后蓋開啟過程中反濺燃氣擾動波較強時,前蓋可由擾動波開啟;當后蓋開啟過程中無法建立足夠強度的擾動波或擾動波無法傳遞到前蓋時,只能由彈體頭部撞擊實現前蓋開啟,對發射產生不利影響。因此,深入分析和研究前后蓋開啟過程中燃氣流動和擾動波傳遞情況,對認識前后蓋開啟過程和進行工程設計具有重要意義。

多數情況下,后蓋達到開啟條件后的運動和破碎過程使得流動計算邊界不斷運動和變化,給計算分析造成困難。文中針對這一問題,利用動網格技術[5]和分區邊界類型轉換模擬后蓋達到開啟條件后的結構變化,并與其它模擬方式進行比較,以獲得對易碎蓋開啟過程燃氣流動現象和流場計算方法的深入認識。

1 控制方程

由于發射筒流場具有軸對稱特性,計算中采用二維軸對稱模型,其非定常的雷諾平均N-S方程組[6]為:

(1)

(2)

(i=1,2;j=1,2)

(3)

RNGk-ε模型方程:

(4)

(5)

方程中ρ、u、p、E分別表示氣流密度、速度矢量、壓力和總能。數值計算過程在CFD軟件FLUENT中實現。

2 計算模型與邊界條件

2.1 計算模型

計算模型按軸對稱映射后如圖1所示。為便于分析壓力在發射箱內的傳遞過程,將發射箱沿軸向劃分為12個區域,考察各區域內平均壓力隨時間變化情況。

圖1 計算模型示意

2.2 后蓋邊界條件

為模擬后蓋脫落運動過程,假設其在壓差作用下沿軸向運動,并采用動網格方法進行處理,詳細內容參見相關文獻[7]。為模擬后蓋破裂引起的射流核心區面積變化,將后蓋壁面分為多個區域,當后蓋脫落距離達到區域的特征尺寸后,從中心逐步向外將后蓋壁面條件轉變為流場內部區域。后蓋在氣流作用下的脫落與破裂狀態如圖3、圖4所示。

3 結果分析

3.1 后蓋脫落破裂情況下的計算結果

圖2給出了后蓋壓力剛達到開啟條件時的壓力分布云圖。在這一階段,后蓋已達到開啟條件,但受慣性和結構響應過程影響,后蓋與發射箱間的間隙非常小,燃氣無法排出發射箱,在后蓋上產生反濺。圖3給出了后蓋開啟一段時間后的壓力分布情況,此時后蓋向后運動一段距離,同時從中心位置破裂,形成一定的通流空間。此時反濺燃氣和擾動波沿發射箱傳播到發射箱中部位置附近。圖4給出了擾動波達到前蓋附近時的壓力分布情況,此時后蓋向后運動距離增加,中心破裂區域擴大,形成更大的通流空間。此時反濺燃氣和擾動波沿發射箱傳播到發射箱前蓋位置附近。

圖2 后蓋開啟初始階段壓力分布(0.8 ms)

圖3 后蓋開啟一段時間后壓力分布(7.2 ms)

圖4 擾動波到達前蓋時壓力分布(15.2 ms)

圖5給出了發射箱壁面沿軸向分布的各區域平均壓力變化情況,從圖中可以看出燃氣擾動波依次在發射箱不同位置壁面上產生較大的壓力擾動,并在15ms左右達到發射箱前蓋。達到發射箱前蓋的壓力峰值約為0.2MPa,滿足其開啟條件。

圖5 發射箱內不同區域平均壓力

3.2 其它后蓋邊界處理方式下的計算結果

為對比后蓋邊界不同處理方式對發射箱內燃氣流動和擾動波的影響,分別采用如表1所示方法模擬發射箱后蓋邊界變化情況,并進行計算分析。圖6給出了這些情況對應的發射箱內不同區域平均壓力變化曲線。

表1 后蓋邊界處理方式

圖6 發射箱內不同區域平均壓力

從圖6(a)～圖6(c)可以看出,盡管設置了不同后蓋開啟壓力,由于燃氣沖擊到后蓋并達到開啟壓力的時間只有幾十微秒,如果不考慮后蓋開啟過程中的延時效應,燃氣未在發射箱后蓋上產生明顯的反濺和沿發射箱內壁傳遞的燃氣擾動波。

圖6(d)給出了后蓋開啟延時0.5ms的箱內壓力變化情況,圖6(e)給出了考慮后蓋脫落過程的箱內壓力變化情況。從圖中可以看出,在考慮延時和后蓋脫落過程情況下,燃氣在發射箱后蓋上產生明顯的反濺和沿發射箱內壁傳遞的燃氣波,達到發射箱前蓋的壓力滿足開啟條件。

4 結論

文中針對易碎蓋開啟過程的流動問題,利用動網格和分區邊界模擬后蓋脫落和破碎過程引起的邊界變化,并與其它邊界處理形式對應的流動情況進行對比分析,獲得以下結論:

1)發射箱后蓋達到開啟壓力后的運動和破碎過程對發射箱內燃氣擾動波的產生和傳遞具有重要影響。利用動網格技術和分區邊界類型轉換,能夠較為真實的模擬達到開啟條件后的流動情況。

2)燃氣噴出并在后蓋上建立后蓋開啟壓力的時間很短,后蓋結構在這個時間內難以達到明顯的開啟狀態。因此在一定范圍內,后蓋開啟壓力對發射箱內壓力傳遞過程的直接影響較小。

[1]MUSSEYRA.Launchtubeclosure:US4301708 [P]. 1981-11-24.

[2]FORISVictorG.Protectivemissilelaunchtubeenclosure:US6311604B1 [P]. 2001-11-06.

[3]KAMTY,WUJH,WANGWT.Externalfailurepressureofafrangiblelaminatedcompositecanistercover[J].CompositeStructures, 1999, 47(1): 563-569.

[4] 傅德彬, 姜毅. 某導彈易碎蓋的開啟過程 [J]. 固體火箭技術, 2007, 30(4): 275-277.

[5]POTSDAMMA,GURUSWAMYGP.Aparallelmultiblockmeshmovementschemeforcomplexaeroelasticapplications:AIAA2001-0716 [R]. 2001.

[6] 趙承慶, 姜毅. 氣體射流動力學 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1998: 30-35.

[7]FluentInc.FLUENT6.2Documentation[CD]. 2002.

Simulation and Analysis for Fluid Field of Frangible Cover Opening by Gas Jet

JINGJianquan1,FUDebin1,WANGXinxing2,HANLei2

(1SchoolofAerospaceEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China; 2NavigationandControlTechnologyResearchInstituteofChinaOrdnanceIndustries,Beijing100089,China)

Thefluidfieldoffrangiblecoveropeningbygasjetiscomplexlyunsteady.Inordertosolvetheproblemcausedbyboundarychangesofbackcoverafterpressurearrivingtheopeningcondition,dynamicmeshwasusedtodealwithitsmovement,andfragmentalboundaryconditionswhichcanbemodifiedonebyonewereusedtosimulateitsbreak.Somedifferentflowfieldswereanalyzedwithdifferentboundaryconditions.Comparisonofthesimulationresultsshowsthattheprocessofbackcoveropeningwhichfollowedwithbreakandmovementisimportanttothewave’screationandtransmissioninlaunchingcanister.

frangiblecover;gasjet;numericalsimulation

2015-11-02

靖建全(1990-),男,山東聊城人,碩士研究生,研究方向:航天發射技術。

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