一種小型全軸擺動噴管流場計算和性能分析*

尚永騰，白濤濤

(中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南洛陽 471009)

0 引言

推力矢量控制(TVC)是未來先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的必備技術(shù)之一，可大大提高導(dǎo)彈的機(jī)動速度和轉(zhuǎn)彎能力[1]。目前TVC系統(tǒng)大致可分為擺動噴管致偏、阻流致偏和流體二次噴射致偏三類[1-2]。其中擺動噴管作為一種高效的TVC手段，在國內(nèi)外得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3]。

美國ATK公司對各種構(gòu)型的擺動噴管進(jìn)行了大量的仿真和試驗[4]，其研制的球窩噴管在眾多型號中得到應(yīng)用。挪威Nammo公司對長尾管式的超音速分離線擺動噴管進(jìn)行了研究[5-6]，其開發(fā)的代碼能計算包含任意粒子組的二維和三維流場。國防科技大學(xué)的劉君等采用三維薄層近似N-S方程[7]，西北工業(yè)大學(xué)的楊玉新采用分區(qū)網(wǎng)格技術(shù)[8]，海軍工程學(xué)院的周紅梅等采用動網(wǎng)格[9]對潛入擺動噴管進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了噴管擺動對性能的影響。西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所的劉宇濤對一種潛入球窩噴管進(jìn)行了流場計算[10],從出口總壓和入口速度分布的角度對比了兩個擺角狀態(tài)的流場變化。目前擺動噴管的研究多針對已在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上成熟應(yīng)用的大型潛入噴管，而針對空空導(dǎo)彈等小直徑戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的小型、長尾管式的擺動噴管卻鮮有報道。

文中提出一種長尾管式的小型全軸擺動噴管，采用CFD方法對不同條件和狀態(tài)的一系列工況進(jìn)行三維內(nèi)流場數(shù)值模擬，分析擺動噴管的流場特性并評估各因素對噴管性能的影響。

1 物理模型及網(wǎng)格

1.1 物理模型

文中所述小型擺動噴管與長尾噴管結(jié)合，分為固定部分和擺動部分，兩者中間為分離線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在兩組驅(qū)動桿的作用下可實現(xiàn)360°全向擺動，最大擺角為±10°。

圖1 物理模型

1.2 計算網(wǎng)格

根據(jù)模型特點采用1/2對稱模型，對流體域進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，如圖2所示，網(wǎng)格規(guī)模約170萬，其中分離線處進(jìn)行了局部加密。

圖2 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬

2.1 計算簡化假設(shè)

仿真計算采取如下簡化假設(shè)：

1)不考慮凝相粒子，噴管內(nèi)為純氣相流動；

2)噴管內(nèi)的流動為凍結(jié)流；

3)不考慮輻射換熱的影響。

2.2 計算工況設(shè)置

為減輕燒蝕，擺動噴管分離線處預(yù)留擺動余量，即分離線處存在一圈凹坑區(qū)域，其范圍隨噴管擺角變化而變化。為對凹坑的影響進(jìn)行評估，定義內(nèi)型面參數(shù)通喉比J：

J=A/At

(1)

式中:A為分離線處的通道面積；At為喉部面積。

以常規(guī)噴管、不同擺角和通喉比的擺動噴管模型為基礎(chǔ)設(shè)置一系列計算工況。計算模型和工況分別見圖3和表1。其中工況0為常規(guī)噴管，其幾何參數(shù)與工況a1相同。工況e1、e2是模擬冷流試驗的一種工況，以此作為不同工作介質(zhì)的對比。

2.3 控制方程

流場計算采用的控制方程為定常三維可壓縮粘性流動N-S方程：

(2)

式中：E、F和G為對流通量矢量；Ev、Fv和Gv為粘性通量矢量。

圖3 計算模型縱剖面

表1 計算工況

2.4 邊界條件和數(shù)值計算方法

計算所需的邊界條件類型有壓力入口、壓力出口、無滑移固壁邊界和對稱面邊界等。其中壓力入口采用表1所列工況的條件，壓力出口采用外界大氣壓作為出口反壓。

計算所采用的數(shù)值計算方法詳見表2。

表2 數(shù)值計算方法

3 計算結(jié)果與分析

3.1 噴管流場特性分析

3.1.1 整體流場變化

對比各工況的計算結(jié)果，流場具有較大相似性。圖4(a)為擺動噴管與常規(guī)噴管的馬赫數(shù)分布對比，常規(guī)噴管中的氣流加速均勻，而擺動噴管由于分離線處通道的擴(kuò)張，氣流加速減緩，靠近壁面處存在低速區(qū)。從喉部到出口的區(qū)域內(nèi)，兩者馬赫數(shù)分布差異很小，最大值為2.97Ma。圖4(b)為工況a4即噴管擺至最大角度10°的馬赫數(shù)分布，分離線處的馬赫數(shù)隨內(nèi)型面的變化而呈現(xiàn)出不對稱分布，但其對下游的整體影響很小，喉部及擴(kuò)張段內(nèi)的氣流均勻的膨脹加速，至出口仍達(dá)約2.97Ma。

圖4 工況0、a1和a4的馬赫數(shù)分布對比

從整體看，擺動噴管擺動前后的內(nèi)型面不連續(xù)并未對氣流的膨脹加速過程造成明顯干擾，但與常規(guī)噴管相比，擺動噴管在擺動前后始終存在局部的不均勻和不對稱現(xiàn)象。

3.1.2 流場局部細(xì)節(jié)分析

首先對同一個噴管在不同擺角時的流場進(jìn)行分析。圖5和圖6分別為a1～a4四種工況的對稱面局部壓強(qiáng)分布和凹坑內(nèi)的渦流分布，隨著擺角的變化，分離線附近始終存在局部高壓和渦流現(xiàn)象，凹坑加深的一側(cè)高壓區(qū)域逐漸增加，渦流范圍也隨之?dāng)U大，而另一側(cè)則縮小但未完全消失，分離線附近的壓強(qiáng)和渦流分布變得很不均勻。

圖5 不同擺角的局部壓強(qiáng)分布

圖6 工況a1～a4分離線附近的渦流圖

然后觀察其它工況的流場，噴管擺動前后的變化趨勢與a1～a4的變化基本一致。圖7僅顯示了幾種噴管擺動后的局部壓強(qiáng)分布。可以看出，隨通喉比的增加，分離線附近的局部壓強(qiáng)越來越接近上游入口的壓強(qiáng)，壓差也越來越小。其它工況的渦流分布形態(tài)與a1～a4類似，不再一一展示。

圖7 不同工況噴管擺動后的局部壓強(qiáng)分布

所有工況的擺動噴管在分離線附近的凹坑內(nèi)均存在著局部高壓和渦流現(xiàn)象。表3為統(tǒng)計的不同工況的分離線壓差和最大渦流速度。對比a1～a4的結(jié)果可以看出:分離線壓差和最大渦流速度基本不受擺角影響，分析原因為擺角變化并未導(dǎo)致通道面積的明顯改變，分離線處的整體壓強(qiáng)和速度范圍基本不變；對比其它工況可以看出:同種狀態(tài)的噴管，擺動前后的差別都很小，即噴管擺動對流場影響很小。對比工況b1、b2與a1、a4的結(jié)果，隨壓強(qiáng)的降低，分離線壓差也相應(yīng)減小，但最大渦流速度幾乎不變。對比b1～d2的工況，隨通喉比的增大，分離線壓差和最大渦流速度都大幅下降，應(yīng)是通道面積相對喉部面積的大幅增加而使整體氣流速度降低導(dǎo)致的。對比d1～e2的結(jié)果，工作介質(zhì)改為空氣后，最大渦流速度明顯降低，分析原因為空氣溫度低致使氣流達(dá)到的動能低。

表3 不同工況的分離線壓差和渦流速度

3.2 噴管性能變化

通過對壁面邊界進(jìn)行積分，得出各工況的軸向力、側(cè)向力等參數(shù)指標(biāo)，結(jié)果見表4。其中軸向推力損失的計算，工況a1以工況0為基準(zhǔn)，其他工況則以未擺動時的狀態(tài)為基準(zhǔn)。

表4 計算結(jié)果數(shù)據(jù)

由表中數(shù)據(jù)可以看出:擺動噴管的常值損失僅約0.4%，各工況噴管偏轉(zhuǎn)后的損失都在2%以內(nèi)。噴管擺動形成的推力偏角基本等于擺角。據(jù)推力偏角計算，擺動噴管在10°偏角下可提供17%左右的控制力。根據(jù)文獻(xiàn)[3]、[11]和[12]，燃?xì)舛嬖?0°舵偏角時提供的控制力約4%，而推力損失達(dá)5%，在25°舵偏角時的控制力不到10%，而推力損失超過10%。另外，燃?xì)舛娴某Ｖ祿p失通常在3%以上。與燃?xì)舛嫦啾龋瑪[動噴管明顯推力損失更小、致偏效率更高。

對比工況a1～a4的推力偏角和軸向推力損失，如圖8所示，推力偏角和軸向推力損失隨擺角呈線性變化，推力偏角基本等于擺角。

圖8 推力偏角和軸向推力損失隨擺角的變化

表4最后兩列分別表征了噴管擺動造成氣流偏轉(zhuǎn)的內(nèi)流場負(fù)載和擺動動作的摩擦力大小，此兩者是噴管擺動力矩的主要組成部分。

表中數(shù)據(jù)顯示氣動力矩隨擺角的增大呈正比例增加，隨通喉比的增加呈指數(shù)關(guān)系減小(圖9)。最大氣動力矩為5.23 N·m，表明噴管擺動的內(nèi)流場負(fù)載水平不高。

圖9 氣動力矩隨擺角和通喉比的變化

噴管擺動段軸向受力與擺角和工作介質(zhì)基本無關(guān)，與燃燒室壓強(qiáng)和通喉比大致呈正比，主要原因是

燃燒室壓強(qiáng)決定了壁面附近的氣體壓力而通喉比則代表了壁面受力面積。假定以軸向受力作為接觸面壓力，對噴管摩擦力矩進(jìn)行估算，工況a4的摩擦力矩約44 N·m(摩擦系數(shù)取0.1，回轉(zhuǎn)半徑0.04 m)。摩擦力矩遠(yuǎn)大于氣動力矩，因此在擺動噴管設(shè)計時，當(dāng)燃燒室壓強(qiáng)確定后，在一定范圍內(nèi)減小通喉比，既能使氣動力矩處于較低水平，又能顯著降低摩擦力矩，從而減小擺動力矩。

4 結(jié)論

文中完成了一種長尾管式的小型全軸擺動噴管在一系列工況下的流場計算和性能分析，得出以下結(jié)論：

1)流場方面，擺動噴管具有良好的流場均勻性，僅分離線處存在局部高壓和渦流現(xiàn)象，但對噴管整體流場影響很小；

2)噴管性能方面，與燃?xì)舛嫦啾龋瑪[動噴管在推力損失和致偏效率方面的優(yōu)勢較為明顯，其軸向推力損失和推力偏角隨噴管擺角變化的線性度也很好；

3)擺動力矩方面，噴管擺動時的整體內(nèi)流場負(fù)載水平較低，而摩擦力矩的影響較大。綜合分析兩者的影響，可采用適當(dāng)減小通喉比等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，有效降低擺動力矩，克服擺動噴管在小直徑戰(zhàn)術(shù)彈上的應(yīng)用限制。