張道配 葉建國

【摘 要】針對某型發(fā)射箱易碎蓋的CFD流體力學(xué)仿真分析，給出易碎蓋在發(fā)動機(jī)火焰噴射過程中的實(shí)際動作情況，為后續(xù)易碎蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了良好基礎(chǔ)。

1 引言

近年來，國內(nèi)外重點(diǎn)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)制造方法學(xué)的研究，提出通過CFD數(shù)值模擬計(jì)算來評價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，目前高精度CFD數(shù)值模擬廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、飛行器氣動外形設(shè)計(jì)及機(jī)械內(nèi)流場的數(shù)值模擬，在獲得直觀快捷結(jié)果的同時(shí)大幅減少了計(jì)算工作量。為此，本文通過CFD數(shù)值模擬方法對發(fā)射箱易碎蓋的氣動特性與流場進(jìn)行仿真分析，這樣既可以提高設(shè)計(jì)精度、避免不必要的損失，又為該發(fā)射箱易碎蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了良好基礎(chǔ)。

2 計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)，模型作如下簡化，忽略導(dǎo)軌、翼面和外掛件的影響，將模型轉(zhuǎn)化為軸對稱模型。計(jì)算模型主要包括：發(fā)射箱體、彈體、發(fā)動機(jī)噴管、發(fā)射箱前后易碎蓋以及發(fā)射箱后端的計(jì)算區(qū)域，具體計(jì)算模型如圖1。由于理論模型簡化為軸對稱模型，所以在計(jì)算時(shí)可以采用1/4模型進(jìn)行仿真分析，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為210萬，1/4網(wǎng)格模型如圖2所示。

20℃時(shí)入口壓力隨時(shí)間變化的P-t（單位：Mpa-s）曲線見式（1），該曲線是以發(fā)動機(jī)壓力曲線擬合得到的，曲線以0ms為起始零點(diǎn)，85ms為結(jié)束點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合壓力曲線如圖3所示，并將擬合曲線采用fluent編譯語言編制壓力曲線udf。

邊界條件：采用基于壓力瞬態(tài)計(jì)算，噴管入口作為計(jì)算區(qū)域的入口，設(shè)定為壓力入口邊界，環(huán)境壓力設(shè)置為101325Pa，入口總壓設(shè)置為尾噴管壓力擬合udf，靜壓設(shè)置為101325Pa，入口溫度設(shè)定為恒定溫度2700K。箱體、彈體、發(fā)射箱前后蓋均設(shè)為無滑移壁面邊界，發(fā)射箱后蓋開蓋之后為內(nèi)部計(jì)算區(qū)域，后端計(jì)算區(qū)域的外邊界為壓力出口邊界條件，整個(gè)計(jì)算過程采用k-e、RNG方程，采用all zones進(jìn)行初始化計(jì)算域。

3 計(jì)算結(jié)果

整個(gè)計(jì)算過程前后蓋的平均壓力隨時(shí)間變化的曲線分別見圖4、圖5所示。

約1ms時(shí)，發(fā)動機(jī)噴管射流的壓力傳到后蓋，氣流受到壓縮，產(chǎn)生壓縮波，同時(shí)，由于后蓋的反射，壓縮波在發(fā)射箱內(nèi)向前傳播。1ms時(shí)的壓力、馬赫數(shù)、溫度云圖如圖6、7、8所示。

13ms時(shí)，后蓋反射的壓縮波傳到前蓋，13ms時(shí)的壓力、馬赫數(shù)、溫度云圖如圖9、10、11所示，36.2ms時(shí)，后蓋的平均壓力約為216kPa，后蓋達(dá)到破壞壓力（后蓋破壞壓力不小于200kPa），后蓋破碎，發(fā)射箱后蓋邊界條件變?yōu)閮?nèi)部計(jì)算區(qū)域，36.2ms時(shí)的壓力、馬赫數(shù)、溫度云圖如圖12、13、14所示。同時(shí)，壓縮波在發(fā)射箱內(nèi)繼續(xù)向前傳播。

假設(shè)前蓋到達(dá)破壞壓力后不破碎，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，在后蓋開蓋前瞬間所反射的最后一道壓縮波傳遞到前蓋，壓縮波在前蓋疊加，使前蓋的平均壓力達(dá)到最大值為258kPa（后蓋破壞壓力不小于150kPa），隨后前蓋壓力逐漸降低，約55ms左右時(shí)壓力小于0kPa，55ms時(shí)的壓力、馬赫數(shù)、溫度云圖如圖21、22、23所示。

4 結(jié)論

隨著發(fā)射箱內(nèi)部壓力的增加首先將后易碎蓋沖破，然后利用發(fā)動機(jī)火焰反沖力將錢易碎蓋沖破，通過本文的分析為該發(fā)射箱的易碎蓋機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]豐松江. 液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒動力學(xué)模型與數(shù)值計(jì)算[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011。

[2]莊逢辰.液體火箭發(fā)動機(jī)噴霧燃燒的理論、模型及應(yīng)用[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，1995。

作者簡介：

張道配，男，漢，河南省濮陽縣，1988年3月29日，研究生，工程師。主要研究方向或者從事工作：軍工產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

葉建國，男，漢，江蘇連云港市，1982年10月2日，研究生，副高級工程師。主要研究方向或者從事工作：軍工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

（作者單位：貴州航天風(fēng)華精密設(shè)備有限公司）