過載狀態下雙脈沖發動機內流場特性研究

肖 華

江南機電設計研究所 貴州 貴陽 550000

引言

當今為了提高導彈生存能力,強調防區外發射,強調彈道可變性；為了對付高機動性目標,要求導彈具有足夠大的末速度；為了在最短時間攻擊目標,要求導彈的平均速度最大。從這些角度出發,雙脈沖固體火箭發動機成為足以代替助推—主發動機的另一種導彈發動機,雙脈沖固體火箭發動機在提高導彈的有效射程,靈活控制導彈速度以及諸多方面可以充分發揮其優越性。高速防空反導導彈由于高機動要求,發動機在大過載條件下內部流場發生改變,會造成一脈沖燃燒室絕熱層的異常燒蝕而失效,從而造成發動機在大過載條件下結構完整性失效。發動機在導彈飛行狀態與地面試車狀態差別較大,造成發動機飛行安全性降低,因此對發動機處于大過載條件下的內部流場特性分析十分必要,為一脈沖燃燒室絕熱層設計提供依據。

本文采用商用CFD軟件,分析了發動機二脈沖工作時,不同過載條件下發動機內流場特性。

2 計算方法

2.1 基本假設 由于雙脈沖固體火箭發動機燃燒室內的流動是一個相當復雜的物理和化學問題,為簡化計算,本文模型基于如下假設:

(1)在燃燒室內流動過程中,均不再發生化學反應,也忽略熱輻射的作用；

(2)忽略燃燒產物中的固相顆粒,將其視為純氣相的完全氣體混合物；

(3)不考慮侵蝕燃燒效應的影響和內壁面燒蝕作用。

2.2 計算模型 典型雙脈沖固體火箭發動機結構示意圖如圖1所示。

圖1 雙脈沖固體火箭發動機示意圖

2.3 數值計算方法 采用CFD商業軟件Fluent,通過求解Reynolds平均Navier-Stokes方程數值模擬了發動機內流場,控制方程的離散采用有限容積法,空間離散采用二階迎風格式,采用標準k-ε湍流模型。采用結構網格進行網格劃分,對隔艙和噴管壁面處的網格進行加密。

2.4 數值仿真結果

3.1 典型雙脈沖發動機內部流場特性 在無過載條件下對發動機進行了流場模擬,發動機內部流線圖如圖2所示。雙脈沖發動機燃燒室內流場特征:二脈沖工作時,產生的燃氣流經過級間通道流入一脈沖燃燒室,此時一脈沖燃燒室絕熱層壁面完全暴露在高溫燃氣下,流經級間通道后,截面積突擴,燃氣發生分離流動,在級間通道下游形成渦流,在級間根部形成角渦,同時在渦流結束處形成氣流再附著點,而后流出噴管。

現代高能推進劑中添加有金屬粉劑,發動機內流場的特點會造成顆粒半徑較小的粒子在一脈沖燃燒室前端區域高度聚集,惡化一脈沖燃燒室的工作環境,嚴重時導致絕熱層防護體系失效,出現發動機燒穿故障。因此,在粒子聚集的區域,絕熱層需進一步加厚設計,保證燃燒室殼體結構完整性。

圖2 發動機內部流線分布圖

3.2 過載條件下發動機內流場特性 發動機在不同過載條件,分別取軸向過載x=0、橫向過載y=20g；軸向過載x=20g,橫向過載y=0；軸向過載x=20g,橫向過載y=20g,對發動機內流場進行數值模擬。發動機內部流線如圖3所示,與無過載情況相比,流場結構相似,一脈沖燃燒室前端回流區域大小基本相同。

圖3 不同過載條件下發動機內部流線圖

在不同過載條件下,發動機軸線上壓力分布如圖4所示。與無過載條件相比,過載對軸向上壓力分布影響較大。在有過載條件下,一、二脈沖燃燒室整體壓強明顯增加,且節流損失有所增加,造成發動機燃燒室殼體強度需求有所增加。在不同過載條件下發動機軸線壓力分布對比可看出,一脈沖燃燒室壓強明顯增加,在單獨橫向過載條件下最大。雖然不同過載條件下一脈沖燃燒室前端回流區域面積基本相同,但過載的存在,將造成回流區域燃氣流中固態顆粒對絕熱層的沖刷速率增加,因此在設計時,應考慮絕熱層沖刷燒蝕速率增加造成的影響,增加絕熱層厚度或采用多層絕熱層結構。從軸線壓力分布還可以看出,過載的存在也將影響噴管處絕熱材料的燒蝕率,在設計時應加以考慮。

圖4 不同過載條件下發動機軸線壓力分布

結論

本文對雙脈沖固體火箭發動機在二脈沖燃燒室工作時的流場進行數值模擬,研究了過載對發動機內流場的影響,通過對流線分布、壓強分布和節流損失特性的分析,得出以下結論:在導彈飛行過載條件下,應考慮絕熱層沖刷燒蝕速率增加造成的影響,增加絕熱層厚度或采用多層絕熱層結構。