基于接觸判斷方法的尾噴管堵蓋分離運(yùn)動(dòng)分析

趙明陽, 王 革，韓萬之，張 琦

(哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

【航天工程】

基于接觸判斷方法的尾噴管堵蓋分離運(yùn)動(dòng)分析

趙明陽, 王 革，韓萬之，張 琦

(哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

為研究堵蓋在初始分離及后續(xù)過程中與燃?xì)獾南嗷プ饔茫瑧?yīng)用CFD和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，結(jié)合接觸判斷及多孔介質(zhì)模型，建立了堵蓋接觸分離及后續(xù)運(yùn)動(dòng)的物理模型。研究結(jié)果表明，堵蓋與高壓燃?xì)獾南嗷プ饔茫苟律w獲得較高的沖擊動(dòng)能；同時(shí)相較于非接觸式預(yù)留縫隙的處理方法，接觸判斷耦合多孔介質(zhì)模型的方法，更準(zhǔn)確的模擬出堵蓋的分離延遲效應(yīng)。

尾噴管堵蓋；接觸分離運(yùn)動(dòng)；接觸判斷；多孔介質(zhì)

超壓破蓋技術(shù)應(yīng)用廣泛，且日趨完善。點(diǎn)火過程中經(jīng)由尾噴管堵蓋的阻塞作用，實(shí)現(xiàn)高壓燃?xì)獾目焖俳ⅲ瑥亩@得對(duì)預(yù)設(shè)承壓標(biāo)準(zhǔn)的堵蓋的開啟。過程中的壓力匹配問題，高沖擊動(dòng)能的堵蓋運(yùn)動(dòng)問題等，都是采用尾噴管超壓破蓋技術(shù)亟待解決的問題。堵蓋打開過程是整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的開始段，對(duì)堵蓋的初始運(yùn)動(dòng)影響明顯，因此有必要對(duì)打開過程做一個(gè)合適的處理。

尾噴管超壓破蓋技術(shù)的研究，國(guó)外起步較早，并有一些成熟的應(yīng)用，但大多集中于貯運(yùn)發(fā)射箱的破蓋過程。國(guó)內(nèi)對(duì)此的研究相對(duì)滯后，分析過程以實(shí)驗(yàn)與工程經(jīng)驗(yàn)為主，尤其對(duì)于破蓋過程中的壓力匹配，缺乏定量的分析，嚴(yán)重影響了設(shè)置的精度。同時(shí)，對(duì)于堵蓋打開過程大都采用預(yù)留縫隙加約束力的粗狂處理方式，也影響了計(jì)算的精度。

本文通過數(shù)值計(jì)算，分別模擬了非接觸式預(yù)留縫隙方法及接觸判斷處理方法作用下尾噴管堵蓋受燃?xì)庾饔玫拇蜷_及飛出過程，通過檢測(cè)堵蓋前的壓力變化研究打開過程中沖擊波的作用，同時(shí)由堵蓋的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲得其不同時(shí)刻的沖擊動(dòng)能，為堵蓋的撞擊強(qiáng)度分析提供依據(jù)。

1 相關(guān)理論

1.1 流動(dòng)控制方程

燃?xì)饬鲃?dòng)控制方程采用二維非定常方程組，湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，考慮燃?xì)馀c空氣的混合，添加組分輸運(yùn)方程:

(1)

式中：Ri為化學(xué)反應(yīng)帶來的組分i凈增量，Si為源項(xiàng)。

在動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算區(qū)域內(nèi)，在任意控制體V中任意標(biāo)量的積分形式的控制方程可以表示為：

(2)

式中：φ為通量變量；ug為網(wǎng)格移動(dòng)速度；Γ為耗散系數(shù)。

1.2 運(yùn)動(dòng)控制方程

物體的運(yùn)動(dòng)主要是由其初速度和加速度決定的，而加速度是由物體的受力決定的。對(duì)于所要研究的運(yùn)動(dòng)體有：

(3)

(4)

(5)

1.3 接觸判斷與多孔介質(zhì)模型

為了解決此類問題常規(guī)做法(預(yù)留縫隙)中的弊端，在此使用接觸判斷與多孔介質(zhì)模型相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算域中運(yùn)動(dòng)體與固壁縫隙處流動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

假設(shè)多孔介質(zhì)是各向同性的，則多孔介質(zhì)模型的應(yīng)用可以表達(dá)為在動(dòng)量方程中添加了如下源項(xiàng)：

(6)

式中，D和C分別為黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。

通過添加人工的粘性阻力和慣性阻力，可以使流體速度接近為零，作為近似的固體區(qū)域。

在實(shí)現(xiàn)計(jì)算的過程中，需要分別實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)方面：

1) 采用接觸判斷的方法，以運(yùn)動(dòng)體與固壁的距離作為縫隙處流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的判據(jù)，即：

d≤dcon

(7)

其中，d為堵蓋壁面與噴管壁面的最小距離；dcon為預(yù)設(shè)的接觸距離。

2) 滿足判據(jù)條件，將縫隙區(qū)域處理為固體區(qū)，即令D、C為一無窮大數(shù)；

3) 判據(jù)條件失效，將縫隙區(qū)域處理為流體區(qū)，不再施加源項(xiàng)。

2 仿真計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模擬燃?xì)馄颇：蟠蜷_堵蓋及推動(dòng)其飛出噴管的整個(gè)過程，關(guān)注堵蓋飛出后的沖擊特性，計(jì)算模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管，堵蓋以及足夠堵蓋運(yùn)動(dòng)的環(huán)境區(qū)域(2 m×20 m)，如圖1所示。根據(jù)堵蓋的設(shè)計(jì)外形，將其簡(jiǎn)化為帶凹坑的圓臺(tái)，并按質(zhì)量均勻分布來處理。由于堵蓋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間短，速度大，將其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為單方向的平動(dòng)。考慮模型的對(duì)稱性，采用二維軸對(duì)稱模型來減少計(jì)算量。

圖1 仿真計(jì)算物理模型

模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在噴管區(qū)域進(jìn)行加密處理，縫隙處預(yù)留距離為4 mm，網(wǎng)格總數(shù)13萬。

圖2 仿真計(jì)算網(wǎng)格模型

2.2 計(jì)算條件

對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力變化曲線進(jìn)行數(shù)值離散擬合出計(jì)算模型入口的總壓變化曲線如圖3所示，其它燃?xì)鈪?shù)見表1。環(huán)境邊界采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，溫度293 K，壓強(qiáng)為0.101 325 MPa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的破膜壓力為3.058 2 MPa，經(jīng)積分面積得到的堵蓋受力為68 000 N。因此仿真計(jì)算中初始時(shí)刻將防潮膜前定義為燃?xì)鈪^(qū)，膜后定義為空氣區(qū)，并將堵蓋受力達(dá)到68 000 N的時(shí)刻設(shè)置為堵蓋運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)刻。

圖3 入口總壓變化曲線

項(xiàng)目單位數(shù)值燃?xì)獗葻岜取?．16188燃?xì)舛▔罕葻酛/(kg·K)1954．34燃?xì)鈿怏w常數(shù)J/(kg·K)272．32燃?xì)庀鄬?duì)分子質(zhì)量kg/kmol30．53燃?xì)饪倻豄3486

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 破蓋過程結(jié)果分析

圖4所示為非接觸式預(yù)留縫隙方法與接觸判斷方法作用下，尾噴管堵蓋啟動(dòng)前的壓力云圖。從圖中可以明顯的看出，非接觸式預(yù)留縫隙方法對(duì)于接觸縫隙的處理，使得燃?xì)庠诙律w啟動(dòng)前已發(fā)生泄漏；而接觸判斷方法則避免了這一情況。

圖4 堵蓋啟動(dòng)前壓力云圖

圖5所示為兩種方法下尾噴管堵蓋運(yùn)動(dòng)前的受力變化。從圖中可以清晰地看到兩種方法的受力變化趨勢(shì)一致，但接觸判斷方法的引入，使得破蓋時(shí)間加長(zhǎng)，并且同時(shí)刻的受力明顯下降。

圖6所示為兩種方法下，圖1監(jiān)測(cè)點(diǎn)在相應(yīng)破蓋時(shí)間內(nèi)的壓力變化曲線。從圖中可以看出，兩種方法的壓力變化趨勢(shì)基本一致，但接觸判斷方法的引入，使得同時(shí)刻的壓力有所升高。

圖5 堵蓋運(yùn)動(dòng)前受力變化

圖6 堵蓋運(yùn)動(dòng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化

分析圖4、圖5及圖6可知：接觸判斷方法的引入，克服了非接觸式預(yù)留縫隙方法中，燃?xì)庑孤┫扔诙律w運(yùn)動(dòng)的情況；通過構(gòu)造人工阻力項(xiàng)的方法，抵消了堵蓋側(cè)壁所受燃?xì)庾饔昧Φ挠绊懀@就造成了同時(shí)刻堵蓋受力略小，需要更長(zhǎng)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)超壓破蓋的過程。同時(shí)，由于人工阻力項(xiàng)的加入，阻礙了非接觸式預(yù)留縫隙方法中堵蓋與固壁縫隙處的流動(dòng)，這也造成了同時(shí)刻堵蓋前壓力的增高。

3.2 堵蓋飛出過程結(jié)果分析

圖7，圖8以及圖9所示分別為兩種處理方法下堵蓋啟動(dòng)位置，2.5 m位置以及5 m位置處的馬赫數(shù)及壓力云圖。從圖中可以明顯的看出，非接觸式預(yù)留縫隙方法對(duì)于縫隙的處理，使得啟動(dòng)時(shí)刻的堵蓋后方已經(jīng)建立起一定尺度的壓力；同時(shí)，兩種處理方法在啟動(dòng)時(shí)刻帶來的差異作用到后續(xù)結(jié)果中，表現(xiàn)為接觸判斷處理方法在噴管出口位置形成的激波串結(jié)構(gòu)減弱，馬赫盤基本消失。

圖7 堵蓋啟動(dòng)位置的馬赫數(shù)及壓力云圖

圖8 2.5 m位置的馬赫數(shù)及壓力云圖

圖 9 5 m位置處的馬赫數(shù)及壓力云圖

圖10，圖11分別為堵蓋運(yùn)動(dòng)后，前5 m的受力與速度變化曲線，從圖中可以明顯看出，兩種處理方法對(duì)于堵蓋在噴管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)影響較小；由于非接觸式預(yù)留縫隙方法作用下激波串結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，使得堵蓋在1.2 m以及2.2m位置處分別產(chǎn)生了兩次加速運(yùn)動(dòng)；接觸判斷處理方式作用下的堵蓋運(yùn)動(dòng)，受力更為平穩(wěn)，近似為一勻加速運(yùn)動(dòng)。

圖10 堵蓋的受力變化

圖11 堵蓋運(yùn)動(dòng)的速度變化

分析堵蓋啟動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可知：接觸判斷方法的引入，使得堵塊的啟動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，數(shù)值上表現(xiàn)為流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及堵塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異。分析其成因，由于縫隙位置處理方式的不同，使得兩種方法得到的啟動(dòng)時(shí)堵蓋后方物理場(chǎng)不同；同時(shí)由于堵蓋運(yùn)動(dòng)的延遲時(shí)間不同，使得堵蓋運(yùn)動(dòng)耦合物理場(chǎng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)生偏移。

4 結(jié)論

1) 燃?xì)馄颇ば纬勺矒舳律w的激波，經(jīng)堵蓋的反射作用，快速的建立起燃?xì)鈪^(qū)啟動(dòng)壓強(qiáng)；接觸判斷結(jié)合多孔介質(zhì)模型的處理方法，避免了縫隙位置的燃?xì)庑孤鼫?zhǔn)確的模擬出堵蓋的啟動(dòng)壓強(qiáng)以及運(yùn)動(dòng)的延遲時(shí)間。

2) 堵蓋啟動(dòng)后，伴隨堵蓋的運(yùn)動(dòng)，燃?xì)饨?jīng)堵蓋與噴管的縫隙流出并向外擴(kuò)散；相較于非接觸式預(yù)留縫隙的方法，建立在接觸判斷方法基礎(chǔ)上的堵蓋與燃?xì)獾鸟詈献饔酶鼮榭尚拧?/p>

3) 堵蓋在飛出過程中，受噴管內(nèi)高壓燃?xì)獾淖饔茫俣燃眲≡黾樱?dāng)移動(dòng)到噴管出口位置外，受力趨于穩(wěn)定，速度變化趨穩(wěn)，在計(jì)算區(qū)間內(nèi)，未見明顯減速。

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AnalysisofSeparationMovementofNozzleClosureBasedonContactDetectionMethod

ZHAO Mingyang， WANG Ge， HAN Wanzhi， ZHANG Qi

(College of Architecture and Aerospace Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to study the interaction between the closure and the gas in the initial separation from the nozzle and subsequent process, a simulation model is established by using a numerical method combined with the Contact Detection and Porous Media model, in which a dynamic mesh technique is used to update the meshes of flow field. The research results show that the closure obtains a high impact kinetic energy from the high-pressure gas,. And compared with the practice of reserved gap, Contact Detection and Porous Media model can simulate the delayed effect of the Separation.

nozzle closure; separation movement; contact detection; porous media

2017-09-28；

2017-10-19

趙明陽(1992—)，男，碩士研究生，主要從事火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、流動(dòng)及多物理場(chǎng)計(jì)算研究。

王革(1966—)，男，博士，教授，主要從事火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、流動(dòng)及內(nèi)彈道計(jì)算研究。

10.11809/scbgxb2017.12.046

本文引用格式：趙明陽, 王革，韓萬之，等.基于接觸判斷方法的尾噴管堵蓋分離運(yùn)動(dòng)分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):207-210,252.

formatZHAO Mingyang， WANG Ge， HAN Wanzhi, et al.Analysis of Separation Movement of Nozzle Closure Based on Contact Detection Method[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):207-210,252.

V435；TJ768

A

2096-2304(2017)12-0207-04

(責(zé)任編輯楊繼森)