垂直冷彈發射裝置裝藥燃燒數值分析

王學智,劉少偉,杜振宇

(空軍工程大學 防空反導學院,西安 710051)

垂直冷彈發射裝置裝藥燃燒數值分析

王學智,劉少偉,杜振宇

(空軍工程大學 防空反導學院,西安 710051)

針對燃氣活塞彈射裝置，采用加質源項法，通過UDF(用戶自定義函數)編譯，向高壓室注入火藥燃氣的質量、動量、能量，實現了復雜燃燒化學反應的數值模擬，得到了高壓室壓力和速度分布及變化規律，分析了壓力和速度對彈射裝置的影響;計算結果表明，裝藥燃燒數值模擬與理論計算基本吻合，能夠較好地仿真彈射裝置高壓室燃氣流場的特性，為彈射裝置進一步優化設計和裝藥設計提供理論參考。

垂直彈射裝置； 裝藥燃燒； 燃氣流場； 數值分析

0 引言

與自力發射相比，垂直彈射具有結構簡單，發射時間短，能量利用率高等優點[1-3]，因此，垂直彈射技術已在防空武器系統中成功應用，并具有強大的潛力。但是，裝藥點火是彈射過程的第一步，彈射器中裝藥能否正常燃燒并產生足夠的燃氣是保證導彈是否有足夠離筒速度的前提，同時高溫高壓燃氣會對發射裝置造成巨大沖擊。因此研究裝藥燃燒規律、燃氣流動規律、彈射器內部壓力變化規律等是十分重要的。

目前采用數值分析的方法對火箭導彈發射過程的研究得到了重視與應用[4]。這種方法有效解決了試驗成本高、試驗周期長等問題。本文運用FLUENT軟件，采用非定常計算方法，通過UDF(用戶自定義函數)編譯，對彈射器高壓室內裝藥燃燒進行了數值模擬，得到了高壓室內裝藥燃燒過程中的壓力分布和燃氣速度分布。采用數值研究方法，對彈射裝置裝藥燃燒過程進行仿真計算，為彈射裝置下一步改進設計和裝藥的設計選擇以及試驗提供了參考。

1 彈射裝置仿真模型

1.1 彈射器數學模型

本文研究的是燃氣活塞彈射裝置，該裝置主要由燃氣發生器、低壓室、活塞、活塞桿、緩沖器和后梁等部件組成，針對本文的研究對象，進行適當的簡化，建立高壓室二維裝藥加質燃燒模型，如圖1所示。

圖1 彈射器燃燒室模型示意圖

對模型給出基本假設如下：

1)在計算中不考慮點火過程，將點火裝置所產生的高溫高壓作為裝藥燃燒的初始條件。

2)裝藥的燃燒服從幾何燃燒定律，即裝藥是按照平行層或同心層的規律逐層進行燃燒這樣的理想情況進行的。

3)將裝藥表面的一層區域作為燃氣源項加質區域，燃燒過程在這一層區域完成。

4)在裝藥燃燒過程中不考慮侵蝕效應。

5)燃氣的流動過程是絕熱的，與外界沒有熱交換。

1.2 網格劃分

彈射器高壓室的實際模型結構較為復雜，不利于仿真計算分析。為了便于仿真計算，對模型進行合理的簡化，在不影響計算結果的情況下，去掉一部分不必要的結構，如前蓋、擋藥板等。利用Gambit后處理軟件進行網格劃分，高壓室的網格結構如圖2所示，選用四邊形的結構化網格，網格總數為20200個單元。

圖2 高壓室模型網格

3 加質源項法應用

針對裝藥燃燒特點，采用FLUENT軟件的源項加質法[5-7]，通過用戶自定義函數(UDF)的編譯實現高溫燃氣的質量、動量和能量向燃燒室的注入，進而實現對裝藥燃燒過程的動態數值仿真。

3.1 加質源項法理論模型

裝藥與燃氣之間的熱量傳遞是裝藥燃燒過程中的最基本的物理現象，裝藥燃燒生成的高溫燃燒產物覆蓋在裝藥表面，通過熱傳導、對流和輻射的形式把熱量傳給裝藥內部。裝藥內部的溫度在這個過程中會逐漸地升高，直至其內部一層的溫度達到臨界著火點并開始燃燒加質，這樣燃面上各點由表面向內部一層一層地推進，這個過程就是裝藥的加質燃燒過程，如圖3所示。

圖3 裝藥加質燃燒機理示意圖

裝藥燃燒生成高溫燃氣并釋放能量，引起燃氣流場的質量變化和能量變化。本文在研究裝藥表面的加質燃燒時，將燃氣加質的過程等效為垂直加質來進行分析，選取貼近裝藥燃燒表面的一層區域作為燃氣源項的添加區域，如圖4所示。

圖4 裝藥源項加質區域

2.2 加質源項法數學模型

本文采用固相點火準則，當裝藥表面溫度達到臨界溫度時即被點燃。點燃后，裝藥燃氣以一定初始速度和溫度注入到高壓室內。

裝藥能量方程：

(1)

燃速方程[8]：

(2)

(3)

(4)

(5)

3 仿真結果及分析

根據上述的模型及條件，運用FLUENT軟件進行數值模擬求解，通過初始條件和邊界條件的定義，采用Ros-FDS算法進行數值模擬，控制方程主要有非定常守恒N-S方程、RNGκ-ε湍流方程。得到下面計算結果和相應的結論。

3.1 初始條件和邊界條件定義

初始條件：忽略點火過程，直接對高壓室進行初始化，使火藥柱達到全面燃燒的條件，即高壓室的初始條件為壓強4.53MPa，溫度為3100K；邊界條件：整個外部區域設置為絕熱壁面；火藥設置為固體區域；加質層設置為內部區域；計算時間：步長為1e-6s，總計算時間為1.5ms。

3.2 仿真結果及分析

由于高壓室具有嚴格的軸對稱性，在對高壓室進行研究時分析其中的一部分就能說明問題。圖5、6分別為在點火剛開始時高壓室內部的壓力分布云圖和速度矢量分布圖，從圖5中可以看出在裝藥表面壓力明顯升高，圖6有氣體從裝藥表面析出并垂直于裝藥表面，這說明能量成功在裝藥表面的加質層上注入，裝藥開始加質燃燒。

圖5 1e-6s時高壓室壓力分布云圖

圖6 1e-6s時高壓室速度(m/s)矢量分布圖

圖7為1.5ms時高壓室壓力分布云圖，從圖中可以看出高壓室內流場的壓力分布存在明顯的層狀結構。火藥柱在燃燒過程中產生高溫高壓燃氣，燃氣向兩邊壁面運動，當到達壁面后將向上下兩端運動，形成高壓室兩端壓力集中現象。

圖7 1.5e-3s時高壓室壓力分布云圖

圖8為1.5ms時高壓室部分速度矢量分布圖，從圖4可以看出火藥柱表面產生大量氣體，燃氣以較高的速度向兩邊壁面運動，撞擊到兩側壁面后向上下兩方面折轉，當撞擊到上下兩個壁面時又發生折轉，于是在火藥柱頂端附近形成旋渦結構。這就是造成高壓室上下兩端壓強較高的原因。

圖8 1.5e-3s時高壓室速度(m/s)矢量分布圖

圖9為1.5ms時高壓室壁面與火藥表面壓力分布曲線，反映了高壓室內縱向壓力變化情況，壓力呈現中間低兩邊高現象，這與燃氣流動所造成的后果相吻合。高壓室壁面與裝藥壁面的分布呈一致性，而裝藥壓力要略大于高壓室壁面。

圖9 1.5e-3s時高壓室壁面與火藥表面壓力分布圖

圖10為高壓室壓力隨時間變化曲線，仿真結果表明，數值計算結果與理論計算結果吻合較好，說明計算模型可信，可較為準確地仿真垂直彈射導彈高壓室中裝藥燃燒過程。從圖10可看出，僅1.5ms時間高壓室的壓力從4.5MP上升為6.9MP,燃燒室迅速建立起高壓，為彈射做準備。

圖10 高壓室壓力隨時間變化曲線

4 結語

本文通過對彈射初始過程的數值仿真，得到了破膜前后彈射裝置燃氣流場分布及變化規律，同時為下一步導彈運動數值仿真奠定基礎，得出以下結論：

1)本文在模擬藥柱的燃燒時，利用FLUENT計算軟件的源項法，通過用戶自定義函數的編譯，實現復雜燃燒化學反的數值模擬，數值仿真計算結果與理論結果較為接近，能夠較為準確的預示彈射過程；

2)針對彈射裝置具體模型，通過建立合理的的網格，運用FLUENT軟件計算，得到了燃燒過程高壓室的壓力分布云圖和速度矢量圖，準確地描述了彈射裝置所處的狀態，提高了仿真計算的準確性；

3)通過對高壓室內流場特性的分析, 得出了高壓室上下兩端壓力高的規律，該方法能夠為彈射裝置下一步的改進設計和試驗提供參考依據。

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NumericalSimulationAboutImpactofInclinedLaunchingMissileJetFlowonFrontCoversofLaunchCanisters

WangXuezhi,LiuShaowei,DuZhenyu

(SchoolofAirandMissileDefense,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710051,China)

Based on a vertical ejecting device, the source item method and user defined function(UDF)technique were used to inject mass, momentum energy of and propellant gas into chamber, get the jet flow field distribution on the surface of the propellant, the influence result from pressure and velocity is analyzed. The computation results show that this method can well predict ejection mechanism characteristics of inner flow field, and provide theory reference for the optimal design of the ejecting device and chamber.

vertical ejection device;propellant combustion; gas flow field; numerical analysis

2016-09-20；

2016-11-09。

王學智(1965-)，男，遼寧沈陽人,博士,教授，主要從事兵器發射理論與技術方向的研究。

1671-4598(2017)04-0100-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TJ

A