引流式直接力裝置動態(tài)特性研究

劉玉磊　張澤遠

摘要：直接力技術(shù)是未來先進空空導彈所亟需的技術(shù)之一，對直接力裝置內(nèi)閥頭運動與流場動態(tài)耦合過程的研究成為方案設計人員所關(guān)注的問題。本文以某型尾端引流式直接力裝置方案為研究對象。建立閥頭打開、關(guān)閉過程仿真分析模型，對閥頭運動與內(nèi)流場變化的動態(tài)過程進行研究，得到閥頭打開、關(guān)閉過程的運動規(guī)律曲線以及裝置內(nèi)流場的變化情況。為直接力裝置的詳細方案設計和后續(xù)驗證試驗提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直接力裝置；動態(tài)氣動特性；閥頭設計；仿真分析

中圖分類號：TJ763；V43 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2017）02-0043-06

0引言

直接力裝置能大幅提高空空導彈的機動性，且具有結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕、響應快速、推力較大、控制方便等優(yōu)點，是未來導彈武器的關(guān)鍵部件，具有強烈的軍事需求和廣泛的應用前景。自20世紀60年代起，國外便對直接力技術(shù)的應用進行了大量的試驗和數(shù)值研究。國內(nèi)相關(guān)的研究起步較晚，研究的重點集中在側(cè)向噴流干擾流場中的波系、渦系結(jié)構(gòu)以及流動的分離與再附等復雜的流動現(xiàn)象。

隨著直接力技術(shù)成熟度的提高，對直接力裝置動態(tài)特性的研究，特別是裝置內(nèi)閥頭運動與內(nèi)流場動態(tài)耦合過程的研究越來越成為方案設計人員關(guān)注的問題。另外，這種動態(tài)耦合過程所產(chǎn)生的動載荷和氣動力波動會對彈體結(jié)構(gòu)以及控制精度產(chǎn)生影響，準確預測直接力裝置的非定常效應對導彈總體及控制系統(tǒng)設計非常重要。本文以某型尾端引流式直接力裝置方案為研究對象，建立閥頭運動流場動態(tài)耦合過程仿真分析模型，對閥頭運動與內(nèi)流場變化的動態(tài)過程進行研究，為直接力裝置的詳細方案結(jié)構(gòu)設計提供了依據(jù)。

1數(shù)值模型

1.1幾何結(jié)構(gòu)

本文研究的直接力裝置結(jié)構(gòu)方案示意圖如圖1所示。

直接力裝置內(nèi)的燃氣流動分為三部分：（1）發(fā)動機尾噴管內(nèi)燃氣流動，主要用來產(chǎn)生發(fā)動機軸向推力，同時也是發(fā)動機側(cè)向力及其他控制力的動力源，稱為主流；（2）側(cè)向噴管內(nèi)燃氣流動，主要用來產(chǎn)生側(cè)向力，稱為側(cè)向流；（3）先導閥內(nèi)燃氣流動，可實現(xiàn)對側(cè)向力流動開關(guān)的控制，稱為控制流。本研究中閥頭運動流場動態(tài)耦合過程為典型的動網(wǎng)格非定常流動問題，計算量大，耗時長。因此，從減少計算量簡化模型幾何尺度的角度考慮，本研究中的流場范圍僅包含側(cè)向流和控制流兩部分。

本研究直接力方案中，閥頭的打開與關(guān)閉由先導閥控制，先導閥打開閥頭底腔，燃氣迅速通過排氣管路排空，使得主閥頭打開，產(chǎn)生側(cè)向力。先導閥關(guān)閉，閥頭頂腔內(nèi)燃氣通過閥頭平衡孔向閥頭底腔充氣，使得閥頭底部壓力升高，主閥頭關(guān)閉。閥頭打開過程的幾何模型如圖2所示，閥頭關(guān)閉過程的幾何模型如圖3所示。

1.2基本假設

a.忽略閥頭摩擦力及間隙漏氣對閥頭運動的影響：

b.燃氣無化學反應，忽略兩相流動；

c.側(cè)向力閥頭運動過程中入口壓力無變化，保持恒定；

d.先導閥打開與關(guān)閉過程瞬間完成，無時間延遲。

1.3網(wǎng)格更新技術(shù)

為了閥頭動網(wǎng)格的實現(xiàn)，本研究中將計算模型劃分為四面體非結(jié)構(gòu)計算網(wǎng)格，聯(lián)合使用彈性光順法和局部網(wǎng)格重構(gòu)法對計算網(wǎng)格進行更新。在閥頭上下表面附近進行局部加密，以適應不規(guī)則的氣流通道，并提高計算精度。閥頭打開模型的初始網(wǎng)格數(shù)為82萬，分為閥頭頂腔域、喉部及擴散段域、閥頭平衡孔域、閥頭底腔域以及排氣管路域五個計算域。閥頭關(guān)閉模型的初始網(wǎng)格數(shù)為73.7萬，分為閥頭頂腔域、喉部及擴散段域、閥頭平衡孔域、閥頭底腔域四個計算域。

1.4計算方法

根據(jù)所建立的網(wǎng)格模型進行數(shù)值模擬，以人口壓力、出口壓力為邊界條件，參數(shù)設置如表1所示。瞬態(tài)的時間步長為1.0×10^-6s，每一時間步的迭代次數(shù)為30，動域與靜域間采用Interface連接。

2閥頭打開過程

在直接力裝置默認狀態(tài)下，先導閥關(guān)閉，由于閥頭平衡孔的作用，閥頭底腔與閥頭頂腔壓力平衡，主閥頭處于關(guān)閉狀態(tài)。當先導閥打開時，閥頭底腔排氣管路接通，燃氣經(jīng)排氣管路迅速排出，造成閥頭底腔壓力下降，最終使得閥頭向下運動，直至完全打開。當需要閥頭關(guān)閉時，先導閥關(guān)閉，切斷排氣管路，燃氣經(jīng)閥頭平衡孔向閥頭底腔充氣，使得閥頭底腔壓力升高，形成閥頭向上運動的驅(qū)動力，完成閥頭關(guān)閉。閥頭打開和關(guān)閉運動的總行程為5.2 mm，且定義閥頭關(guān)閉時行程為0 mm，打開時行程為5.2 mm。

閥頭打開過程的仿真計算以先導閥打開，閥頭行程為1.2 mm時的穩(wěn)態(tài)流場為初始計算流場。

2.1閥頭運動規(guī)律曲線

閥頭行程見圖4，從圖中可以看出，閥頭0時刻開始運動，從1.2 mm行程運動到5.2 mm行程的打開過程持續(xù)約1.44 ms。

打開過程中閥頭軸向力方向始終沿著閥頭負向，即打開方向。閥頭軸向力曲線見圖5，由圖可見，軸向力大小呈先減小后增加的變化趨勢。主要是因為在主閥小開度情況下，閥頭表面的燃氣流通面積較小，燃氣流速較快，導致位于收斂段的閥頭表面壓力下降程度較大，同時由于燃氣流量較小，使得位于擴散段的閥頭表面燃氣壓力增加較小，閥頭軸向力呈減小趨勢。閥頭最小軸向力為1 276.7 N，此時，閥頭運動0.4 ms，閥頭開度達到1.5 mm左右。隨著閥頭開度的繼續(xù)增加，燃氣流通面積增大，此時雖然收斂段的閥頭表面壓力下降程度有所增大，但閥頭擴散段表面壓力的增加更為顯著，使得閥頭軸向力持續(xù)增加，最大值約為1 545.3 N。

閥頭速度如圖6所示，可以看出，閥頭沖擊底座的最大速度（取絕對值）為5.68 m/s，閥頭速度接近線性勻加速，平均加速度約為3 940 m/s²。

閥頭側(cè)向力的產(chǎn)生主要是由于方案中直接力裝置進氣位置的不對稱導致的。在進氣口側(cè)燃氣速度與喉部燃氣流出方向相同，閥頭表面燃氣流速較大，壓力較低，而背側(cè)燃氣需先經(jīng)滯止后再反向流出，閥頭表面燃氣流速較小，壓力較高，二者的綜合作用使得閥頭上存在一個方向與進氣方向相反的側(cè)向力。該側(cè)向力的存在對于閥頭運動來說具有較大危害，嚴重時可導致閥頭運動卡死，因此需對閥頭側(cè)向力的大小進行關(guān)注。本直接力裝置方案中閥頭打開過程的閥頭側(cè)向力時間曲線如圖7所示。

由圖2可知，打開過程中閥頭側(cè)向力方向始終沿著x軸負向，與燃氣流入方向相反。由圖7可以看出，側(cè)向力大小先呈震蕩并緩慢增加的趨勢，后增加趨勢有所增大，在閥頭達到最大開度時達到最大值，并趨于穩(wěn)定。整個過程中最大閥頭側(cè)向力約為387.6 N，最小值為98.5 N。

2.2對稱面流場云圖

對稱面流場云圖見圖8，可以看出，隨著閥頭行程的增加，進氣口側(cè)燃氣壓力下降較快，而背側(cè)燃氣壓力下降不明顯。同時，閥頭擴散段內(nèi)壓力呈逐步升高的趨勢，且在閥頭頂部存在較為明顯的激波現(xiàn)象。另外閥頭底腔與排氣管路內(nèi)壓力也略有增加，主要是由于閥頭開度的增加使得閥頭平衡孔進氣口側(cè)的壓力上升導致的。

對稱面馬赫數(shù)云圖見圖9，可以看出，隨著閥頭行程的增加，閥頭頂腔和閥頭底腔內(nèi)馬赫數(shù)均較低，進氣口側(cè)馬赫數(shù)要略高于背進氣口側(cè)。在喉部位置，小行程時對稱面兩側(cè)音速線沿閥頭軸線具有較好的對稱性，隨著閥頭行程的增加這種對稱性逐漸變差，且音速線逐步由直線演變?yōu)榍€，整個喉部音速面呈現(xiàn)為復雜的三維曲面結(jié)構(gòu)。

閥頭行程較小時，對稱面擴散段最高馬赫數(shù)為3.5。隨著閥頭行程的增加，擴張比相應減小，對稱面擴散段最高馬赫數(shù)下降，到閥頭完全打開時，對稱面擴散段最高馬赫數(shù)為2.8左右。整個過程中排氣管路內(nèi)馬赫數(shù)變化不大。同一時刻排氣管路內(nèi)馬赫數(shù)沿燃氣流動逐步增加，出口處達到音速。

3閥頭關(guān)閉過程

在閥頭完全打開后的穩(wěn)態(tài)流場基礎(chǔ)上進行插值，作為閥頭關(guān)閉過程仿真計算的初始流場，在此基礎(chǔ)上對閥頭關(guān)閉過程進行仿真計算。

3.1閥頭運動規(guī)律曲線

閥頭行程如圖10所示，可以看出，閥頭直到0.38 ms才開始運動，從5.2 mm行程運動到1.2mm行程的關(guān)閉過程持續(xù)約2.5 ms。

閥頭關(guān)閉過程可分為閥頭底腔充氣過程和閥頭運動過程兩部分，分別對應閥頭軸向力曲線的負向段和正向段。在負軸向力段內(nèi)閥頭處于靜止狀態(tài)，此時燃氣通過閥頭平衡孔對閥頭底腔進行充氣，使得閥頭底腔壓力上升，隨著充氣的進行，閥頭軸向力線性減小，如圖11所示，在0.38 ms時閥頭上下表面壓力平衡，閥頭軸向力轉(zhuǎn)變?yōu)檎颍y頭開始關(guān)閉運動，此后閥頭底腔的壓力受到閥頭平衡孔充氣速率和閥頭運動的速度共同影響，并且隨著閥頭運動速度的增加，閥頭軸向力增加趨勢逐漸趨緩。到1.0 ms時閥頭底腔的充氣速度、閥頭運動速度以及閥頭上表面流場的變化情況達到動態(tài)平衡，閥頭軸向力趨于穩(wěn)定。到1.5 ms時由于閥頭行程較小，閥頭擴散段表面壓強下降明顯，導致閥頭正向受力又開始緩慢上升。

閥頭速度如圖12所示，可以看出，閥頭沖擊喉部接觸處的最大速度大于5.18 m/s。閥頭運動明顯分為靜止段、變加速段和勻加速段，加速段的平均加速度約為3 050 m/s²。

由圖3可知，關(guān)閉過程中閥頭側(cè)向力方向始終沿著X軸負向，與燃氣流入方向相反。在1.2 ms之前，閥頭側(cè)向力大小維持在270 N左右，較為穩(wěn)定。之后閥頭側(cè)向力經(jīng)緩慢減小段后出現(xiàn)線性減小，最小值約為55 N，如圖13所示。對比圖7可以看出，閥頭關(guān)閉過程中側(cè)向力比閥頭打開過程中側(cè)向力略有減小。

3.2對稱面流場云圖

閥頭對稱面壓力云圖如圖14所示，可以看出，與閥頭打開過程相反，隨著閥頭行程的減小，進氣口側(cè)燃氣壓力上升較快，而背進氣口側(cè)燃氣壓力上升不明顯。這一過程中閥頭擴散段壓力呈逐步降低的趨勢。另外，閥頭底腔內(nèi)壓力也略有減小，主要是由于閥頭行程的減小使得閥頭平衡孔進氣口側(cè)的壓力下降導致的。

閥頭對稱面馬赫數(shù)云圖如圖15所示，可以看出，隨著閥頭開度的減小，閥頭頂腔以及閥頭底腔內(nèi)的馬赫數(shù)均較低，且在整個閥頭關(guān)閉過程中變化不大。在喉部位置處，與閥頭打開過程相反，隨著閥頭的關(guān)閉，對稱面兩側(cè)音速線沿閥頭軸線對稱性逐漸增強，并逐漸由曲線演變?yōu)橹本€。在擴散段處，閥頭完全打開時最高馬赫數(shù)為2.8左右，當閥頭關(guān)閉到小開度時，最高馬赫數(shù)又上升到3.5的水平。

4結(jié)論

閥頭從1.2 mm行程到5.2 mm行程的打開過程用時約1.4 ms。閥頭沖擊底座的最大速度約為5.68 m/s，閥頭速度接近線性勻加速，平均加速度約為3 940 m/s²。打開過程中閥頭軸向力最大值為1 545.3 N，最小值為1 276.7 N。閥頭側(cè)向力最大值為387.6 N，最小值為98.5 N。

閥頭從5.2 mm行程運動到1.2 mm行程的關(guān)閉過程持續(xù)約2.2 ms，可分為閥頭底腔充氣過程和閥頭運動過程兩部分，閥頭底腔充氣過程用時0.38 ms，閥頭運動過程用時1.82 ms，閥頭沖擊喉部接觸處的最大速度大于5.18 m/s。閥頭運動明顯分為靜止段、變加速段和勻加速段，加速段的平均加速度約為3 050 m/s²。