同心筒发射燃气流二次燃烧数值研究及导流板结构改进

针对同心筒热发射燃气射流二次燃烧冲击效应问题,采用3阶精度的MUSCL格式求解11组分12步基元化学反应动力学模型,弹体运动运用域动分层网格更新方法,数值模拟了同心筒发射H₂/CO混合燃气流场。在燃气自由射流二次燃烧数值模拟结果与文献实验数据对比验证的基础上,分析了同心筒发射燃气流含化学反应的流动特点,以及在导弹出筒时筒口导流板结构对弹体的影响。数值结果表明：在筒外燃气与空气混合区域出现明显的二次燃烧,而在筒内二次燃烧几乎可以忽略;当弹底出筒后,从内外筒间隙排除的燃气、导弹尾部燃气射流和弹底之间相互干扰,形成反溅激波;反应流流场轴线温度高于冻结流和单一组分流流场轴线温度;导流板结构能明显降低弹体表面温度,其高度最优值在1.5倍内外筒间隙附近。研究结果对同心筒发射装置结构优化设计具有一定理论参考意义。     

燃烧产物特性对燃气弹射内弹道与载荷的影响研究

为了研究燃烧产物特性对燃气弹射初容室二次燃烧流场、内弹道和载荷的影响,采用Realizable k-ε湍流模型、域动分层动网格技术和有限速率/涡耗散模型,建立包含动边界的初容室二次燃烧流动模型。通过与实验数据对比,验证了燃气弹射模型的有效性。数值研究了燃气发生器喷管入口燃烧产物压力和组分浓度比值对燃气弹射内弹道和载荷的影响,计算得到了满足导弹出筒要求的喷管入口压力和组分浓度比值的变化范围。数值研究表明：随着燃气发生器喷管入口压力的增大,初容室中O₂完全消耗的时间变短,导弹出筒时间缩短,出筒速度增加,加速度峰值增大;随着喷管入口CO与H₂浓度比值的增大,初容室中O₂完全消耗的时间变长,导弹出筒时间延长,出筒速度减小,加速度峰值减小。研究结果为燃气弹射内弹道设计提供了理论基础。     

不同障碍物对燃气弹射平滑压力效果对比分析

针对导弹燃气弹射压力双波峰冲击的问题,建立了含二次燃烧和尾罩运动的二维轴对称数值模型。在验证了模型真实性的基础上,以相似结构设置为对比基准,分析了3组障碍物设置对弹射内弹道流场的影响。结果表明:环形隔板与环形腔都能有效的延迟发生二次燃烧的时间,减弱二次燃烧的冲击,改善发射筒内的热环境。Angle=0°环形腔比等高环形隔板更能消除"双峰"现象,级减环形隔板比Angle=-2°环形腔平滑压力效果更好,Angle=2°环形腔比级增环形隔板更能减弱燃气对于筒底的压力,减小筒底烧蚀。     

二次燃烧对燃气弹射内弹道影响三维数值研究

为了进一步研究二次燃烧对燃气弹射内弹道的影响,采用三维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程和重整化群湍流模型对燃气弹射过程进行数值研究,运用动态分层动网格技术模拟尾罩的运动。与实验结果对比表明,二次燃烧工况获得的内弹道参数更接近实验值。数值研究结果进一步表明:多组分工况获得的燃气与空气接触面光滑,而二次燃烧工况接触面呈现褶皱现象; 初容室内氧气质量分数的变化规律表明,二次燃烧现象发生在燃气发生器工作后的0.2 s内。受初容室内二次燃烧影响,弹射加速度呈现初期时二次燃烧大于多组分工况,后期多组分工况大于二次燃烧工况现象; 二次燃烧现象提前了飞行器的出筒时间,减小了飞行器的出筒速度。     

环形腔对燃气弹射初容室二次燃烧影响数值研究

为了研究环形腔对燃气弹射初容室内二次燃烧的影响,采用RNG k-ε湍流模型、有限速率/涡耗散燃烧模型和域动分层动网格技术,建立了考虑导弹尾罩运动的初容室二次燃烧流动模型。在与无环形腔弹射装置实验数据对比验证的基础上,数值研究了有/无环形腔和环形腔不同开口方向初容室流场、弹射内弹道和载荷变化规律,分析了环形腔降低二次燃烧冲击的机理。结果表明：从流场结构来看,增加环形腔结构改变了燃气流扩散方向,减小了燃气与空气的接触面积;含有环形腔流场增加的回流区域降低了尾罩底部二次燃烧产生的压强峰值。从内弹道角度来看,与无环形腔相比,环形腔开口向上时,导弹加速度变化平缓,出筒速度减小5.9%,出筒时间推迟4.5%.     

车载同心筒发射筒口流场影响因素数值研究

为了研究车载同心筒结构对导弹点火时筒口流场的影响,采用11组分12步H2/CO化学反应动力学模型,对导弹自力发射点火阶段燃气流场进行数值研究。研究了燃气组分发生化学反应对同心筒筒口流场的影响,结果表明研究筒口流场时需要考虑燃气射流组分的二次燃烧,研究了外筒高度和内筒尾部收敛角对筒口流场的影响,结果表明降低外筒高度、增加内筒尾部收敛角均能够减小燃气流对导弹顶部的热冲击。     

同心筒发射装置导弹燃气流热效应数值模拟

针对某型舰载导弹同心筒发射装置，采用动态网格技术。建立了导弹发射过程中燃气流与发射筒之间的流固耦合换热模型。模型中考虑了导弹在发射筒内运动引起的燃气流场边界的变化。通过对燃气流非稳态传热的数值模拟，得到了发射筒内燃气流及筒壁的温度分布规律，为发射筒的热强度设计提供依据。     

喷水孔数量对燃气-蒸汽弹射内弹道的影响

以含水室的燃气-蒸汽弹射动力装置为研究对象,采用Mixture两相流模型、k-ε湍流模型和域动分层动网格技术,研究了不同喷水孔数量对燃气-蒸汽弹射内弹道的影响。研究表明:随着喷水孔数量的增加,燃气进入弯管和发射筒内阻力逐渐增大,弹射装置内冷却水消耗完的时间逐渐缩短,弹射过程中的最大压力峰值逐渐降低。同时,喷水孔的数量对0.1~0.4s时间内的发射筒内的温度影响较大,对0.55s以后发射筒内的温度影响较小。喷水孔数量的增加引起发射筒内混合气体动能的降低,导致导弹的出筒时间延长和导弹的出筒速度降低。研究结果为燃气-蒸汽弹射喷水方案设计提供了理论依据。     

火箭/冲压发动机二次燃烧的实验研究

作为火箭/冲压发动机二次燃烧的初步研究,设计制造了一套使用液体燃料的模拟燃气发生器和二次燃烧室,并进行了基本的燃烧实验。燃气发生器能产生每秒0.25公斤(其最大压力为7个大气压,温度为1200℃,当量比为3)的高温可燃气。这股高温可燃气和从另外的空气源导入的空气流形成同轴射流。关于此同轴射流的二次燃烧实验是在直径196毫米,长度380毫米,喷管直径100毫米的二次燃烧室内进行的。在本实验范围,当量比0.28～2.0时观察到二次火焰在整个燃烧室内扩展。这可以认为是由燃烧室内出现的回流引起的。这些结果对今后的研究提供了有益的资料。     

固体推进剂燃气发生器燃烧规内视研究

应用Ｘ射线高速实时荧屏分析技术（ＲＴＲ）对燃气性器内固体推进剂的燃烧规律进行了内视研究，分析了推进剂药柱结构参数与内弹道性能之间的关系，运用图像处理技术，分析了Ｕ型结构药柱在燃烧过程中的级间转换现象及其影响因素和圆柱形装药燃烧与内弹道之间的关系。获得了在工作条件下推进剂记燃速和绝支炭化侵刨速率，为进一步优化装药及磁结构参数，提高燃气发生器工作可靠性提供了实验依据。     

新型车载同心筒复燃机理与热环境研究

针对新型车载同心筒自力发射系统热环境评估的问题,基于二阶AUSM格式,依托弹性变形和域动分层结合的动网格技术,采用H2-CO-HCL反应体系17步基元反应的化学反应动力学模型,求解了动态的轴对称复燃流场。数值结果表明,导弹启动之前,内筒出现了燃气向上运动的＂引射效应＂,燃气和内筒空气发生复燃现象;导弹启动后期,内筒出现了富氧气体倒吸进入内筒的＂倒吸效应＂,加剧了内外筒的化学反应;化学反应流的温度比单组份流高800K左右。     

自排导热发射时燃气对导弹的载荷特性研究

利用动网格技术对导弹从点火到出箱整个发射过程的非定常流场进行了仿真,重点分析了导弹发射时弹体受到的温度和压力载荷特性。计算结果表明,燃气流对导弹的载荷主要呈现三个特征:导弹点火后燃气对弹体有一个瞬间温度和压力冲击;导弹出箱后,由于箱内燃气流的溢出和箱口结构对燃气流的阻挡作用,高温燃气冲击导弹,使得导弹受到第二个温度冲击;在点火后约0.3~0.4 s,由于核心段冲击到箱壁形成反射,箱内燃气流场出现较大的波动现象。     

导弹热发射方式增推效能研究

为研究导弹热发射增推效能,设计了3种不同方式的排导空间。建立导弹热发射过程的控制方程和导弹全区域结构化网格模型,使用计算流体力学方法进行仿真,分别采用2阶迎风格式和全隐式方法进行空间离散和时间离散;计算了3种不同排导空间条件下导弹的出筒过程、出筒速度,分析导弹发射时筒内气动特征和导弹在发射筒内运动时增推力随导弹位移的变化过程。数值计算结果与原理验证试验结果符合较好。对不同条件下导弹出筒速度的仿真计算结果表明,采用筒式热发射,可以通过改变排导空间的方法实现燃气能量的再利用,将筒内燃气的气动力转换为推动导弹运动的推力,形成额外的增推力,提升导弹筒内运动速度,降低导弹出筒消耗的能量。     

双基药燃烧产物热物性参数计算分析

为准确获得双基药燃烧混合气体生成物的热物性参数,求解火药燃烧产生的高温气体与身管内壁面的对流换热系数以及火炮发射过程中内壁面的温度,根据双基药组分,给出了火药燃烧化学反应方程式,计算得到燃烧生成物各组分的含量。基于已有的标准大气压下CO₂、CO、H₂O(g)、H₂和N₂的动力黏度、导热系数、比定压热容随温度的变化实测数据,采用最小二乘法拟合得到双基药燃烧混合气体生成物的热物性参数计算模型,并针对3种典型的双基药进行计算分析。结果表明:最小二乘法拟合得到的计算模型可以较好地应用于标准大气压下纯气体热物性参数的求解; 气体的动力黏度、导热系数和比定压热容均随着温度的升高而增大; 硝化棉含氮量越高,导热系数和比定压热容值越小,硝化棉含氮量对混合气体的动力黏度值影响较小,可忽略不计。     

潜射导弹尾部燃气后效建模及数值模拟

利用Rayleigh-Plesset方程,建立了等压球状尾泡模型,分析了尾泡的泡内压力变化.通过尾泡方程与导弹运动方程的联合求解,讨论了燃气泡对垂直发射潜射导弹弹道轨迹的影响.结果表明,导弹在出筒后,由于环境压力的变化,尾部压强有小幅波动,随着尾泡尺寸的减小,波动周期越来越短,与试验测量结果吻合较好.     

近水面航行的导弹运载器弹道稳定性

根据导弹运载器外型设计分析其近水面航行的稳定性问题,在导弹运载器水下六自由度运动模型建立方法的基础上,利用Matlab对运载器在大深度发射情况下的控制方案及水中运行弹道进行了数学仿真研究,利用Simulink模块对运载器近水面航行的稳定性进行了分析.数学仿真和稳定性分析结果表明导弹运载器在近水面航行时具有较强的抗纵向扰动能力,运动是稳定的.该研究在运载器的弹道控制和稳定性设计方面具有实际意义.     

基于反馈线性化的靶弹弹道跟踪制导律设计

针对导弹靶弹的弹道跟踪精度问题,基于反馈线性化和最优控制理论设计了一种弹道跟踪制导律。首先,通过对靶弹进行受力分析,建立靶弹纵向运动非线性方程组;其次,根据反馈线性化理论的定义和充要条件,详细推导得出靶弹的精确线性化运动方程;最后,通过最优控制理论设计弹道跟踪制导指令,并在阵风干扰和不同机动飞行弹道下,与基于小扰动法和固化系数法设计的跟踪制导律进行比较。结果表明:基于反馈线性化法设计的弹道跟踪制导律具有较高的弹道跟踪精度和较低的需用过载。