导弹垂直发射燃气排导系统流场数值分析

为了深入了解垂直发射装置内流场结构,应用数值计算的方法对导弹垂直发射系统燃气射流流场进行了仿真模拟,并对垂直发射燃气排导系统内压强的分布情况进行分析;结果表明：导弹发射的过程中,起始冲击波在燃气排导系统内具有较高的超压峰值,燃气流的最大压力载荷出现在发射位压力室底部,为垂直发射装置的结构设计优化工作提供重要的理论基础。     

膛口初始流场对火药燃气射流的影响

身管武器发射弹丸时,初始流场对随后火药燃气射流的发展及弹丸的运动有较大的影响。为了分析初始流场对燃气射流结构以及弹丸运动的影响,基于有限体积法,采用分块网格划分的整体运动方法及Realizable k-ε湍流模型,耦合内弹道过程及六自由度方程,建立了含有初始流场和不含初始流场的两种二维轴对称膛口流场数值模拟模型。以300 mm平衡炮为例,研究了1730 m·s~(-1)发射速度下的膛口流场特性。结果表明,无初始流场时,火药燃气波阵面近似为球形,火药燃气无法追赶上弹丸。而在初始流场的干扰下,膛口喷射出的燃气速度提高约200 m·s~(-1),燃气追赶并包围弹丸,流场中最大压力降低一倍,温度提高1000 K以上,弹底压力降低约1.3 MPa。     

耦合尾喷管堵盖运动的发射箱内流场研究

利用初始冲击波超压完成前后盖开启过程的贮运发射箱已得到广泛应用。为研究含尾喷管堵盖的冲击波超压形成过程及对后易碎盖的作用效果,应用有限元方法并结合动网格技术建立了导弹点火后堵盖的运动模型,并通过实验方法对仿真结果进行了验证。结合计算结果可清晰地看到尾焰流场的形成过程,并得到了冲击波超压在后易碎盖表面的随时间变化曲线。研究表明：受堵盖的影响,冲击波超压首先形成并冲击后易碎盖,燃气由堵盖的边缘向中心汇聚形成主流,在对后易碎盖的冲击时间和作用位置上与冲击波作用有明显的不同;后易碎盖主要受到冲击波超压作用实现碎裂变形,在堵盖运动的投影区域首先达到最大受力,瞬时峰值达5×10⁵ Pa.     

燃气射流驱动液柱和堵片相互作用特性分析

为了研究单兵无后坐力炮含液柱平衡体发射时降低尾喷发射特征的效果,利用Ansys Fluent流体力学计算软件,基于6DOF动网格技术和VOF多相流计算方法,对燃气射流驱动液柱和堵片的相互作用特性进行了数值模拟,分析了燃气射流驱动液柱和堵片之间的相互作用特性,并与不含液柱平衡体发射时的流场计算结果进行对比。结果表明：含液柱发射时,液柱受火药燃气推力和堵片的阻碍作用,在出喷管后会迅速发生多次破碎并充分雾化,并且液相会受到火药燃气射流的卷吸作用,将燃气射流包裹在液相内,从而达到降低尾喷发射特征的目的。与不含液柱发射的情况相比,尾喷流场形成的冲击波压强峰值降低了29.5%;射流顶端流场的发展区域,速度峰值降低了48.0%,温度峰值降低了29.0%;堵片在运行过程中的最大速度降低了17.5%。     

不同高度导弹发射燃气射流对地面的影响研究

为研究不同海拔高度发射燃气射流对地面及发射装置的影响,采用动网格更新方法和有限速率化学反应模型模拟了不同海拔高度导弹发射过程的燃气射流场,得到了不同高度的发射流场结构形态和壁面的温度与压力分布情况。研究结果表明,随着发射高度的增加,外界压强和射流速度降低,射流欠膨胀度增加,温度升高,随着被冲击面远离核心区,海拔高度对燃气射流对地面的影响程度变小。     

发射箱易碎后盖开启过程的数值计算

易碎盖技术在箱式或筒式发射中具有明显的优势,其开启过程涉及冲击波传播及射流运动等复杂的物理现象。利用动网格技术,以固体火箭发动机为研究对象,研究了易碎后盖开启过程,得到了后盖开启过程中流场压强和温度分布,并对开盖过程中燃气射流流场情况进行了分析。结果表明：冲击波在发动机射流径向一定范围内有较高的超压峰值,会对发射装置和周边设备产生破坏作用;后盖运动对燃气射流流动产生了影响,表现为燃气射流随着后盖向下运动而向下方传播的同时,由于受到后盖的阻挡发生反射回流现象;运动过程燃气流冲击作用逐渐变小,除核心区外后盖上的温度和压强也逐渐变小;后盖运动的仿真实验结果与实际试验数据一致,获得了较好相似性。     

基于二氧化碳喷射的导弹热发射新型排导方案设计

针对导流器排导方式在车载导弹热发射过程中具有的烧蚀和架设撤收问题,提出一种利用二氧化碳喷射冲击燃气射流从而降低发射车与导弹表面温度的新型排导方案。以计算流体力学为主要的研究方法,建立三维定常计算模型,分析燃气射流与二氧化碳射流冲击流场的特性,计算并得出：随着下排管道伸入流场长度增加,发射车壁及弹体的温度先降低再升高;随着上排管道与发射车壁夹角减小,发射车壁及弹体的温度逐渐降低;随着上排管道出口到下排管道高度减小,发射车壁及弹体的温度逐渐降低。该方案在喷管出口到地面距离改变后的其他工况中仍有意义,可以为车载导弹热发射降温排导提供可行的全新设计思路。     

贮运发射箱内燃气射流的非定常冲击波流场数值模拟

文中对贮运发射箱内燃气射流产生的初始冲击波流场进行了非定常数值模拟.通过分析发射箱壁面上各个测点上的压力变化曲线,了解了冲击波在发射箱内的传播过程.通过对前端盖附近处浏点压力的分析,得到了有时可以利用冲击波的超压峰值来完成发射箱开盖动作的结论.在数值计算的过程中,采用标准k-ε(二方程模型,压力项采用二阶差分格式.计算所得到的结论对工程中贮运发射箱开盖过程的设计具有一定的指导作用.     

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%.     

耦合尾喷管堵盖运动的水下固体火箭发动机点火启动过程特性

为研究水下固体火箭发动机点火启动过程的流场特征与工作特性，对尾喷管堵盖分离约束下的点火燃气泡演化过程进行数值模拟。采用流体体积多相流模型与动网格技术，建立耦合喷管堵盖运动的水下燃气射流仿真模型。对点火初期燃气泡形貌瞬态演化和流场参数的振荡特性进行分析，揭示变深度下发动机点火的初始推力脉动特征及形成机制。研究结果表明：点火开盖初期压差驱动堵盖强烈地冲击液相，尾壁空间产生高压区形成初始推力峰；点火深度越深，燃气泡沿轴向的增长速度越慢、长度越短，颈部出现收缩时刻越提前，流场参数和发动机推力的脉动特性越强；深水下燃气泡颈部收缩后，发动机喷口激波系出现往复振荡，导致尾壁空间产生压力振荡形成多个脉动推力峰，激波系的不稳定运动是推力出现脉动的主导因素。     

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。     

爆气二次喷射推力矢量控制系统关闭过程非定常效应研究

采用数值模拟方法对燃气二次喷射推力矢量控制系统关闭过程中非定常效应进行研究。给出了主／次流瞬态干扰流场结构逐渐弱化消失的流场细节特性,分析了流动参数和发动机内弹道性能的动态变化过程。研究表明：燃气引流孔和燃气二次喷射孔附近压强振荡强烈,非定常过程产生的动载荷将引起飞行器结构振动;喷流干扰力的残余影响明显,随时间变化减小较慢,必须考虑非定常延迟效应对控制效果的影响。     

装药参数对水下机枪密封式膛口流场影响的数值分析

为了研究装药参数变化对水下机枪密封式发射膛口流场特性的影响,建立了水下机枪密封式发射的数学物理模型。运用流体力学计算软件Fluent,结合用户自定义函数和动网格技术,针对12.7 mm滑膛式机枪,分别采用15.5 g、13.0 g和11.0 g装药量对其水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明：不同装药量条件下,水下机枪密封式发射时,在弹头飞离膛口截面的过程中,水对弹前初始空气和弹头轴向运动的阻碍较大,导致弹头减速、火药燃气在弹后空间聚集、膛口燃气压力升高,而火药燃气形成射流后的喷射压力衰减遵循指数衰减规律;膛口射流形态受弹头速度和燃气喷射压力的耦合影响,均逐渐由梯形空腔转变为葫芦状空腔,且射流的轴向最大位移遵循指数衰减规律,马赫盘的初步形成时间也基本一致;随着弹头初速和燃气初始喷射压力的降低,火药燃气在射流头部聚集且径向扩展明显,并伴随形成二次射流,而弹底对马赫盘形状的影响时间缩短,激波核心区结构也更快地接近于正激波。因此可见,装药量对膛口流场分布的影响具有一定的规律性。     

膛口初始流场对火药燃气流场影响的数值研究

枪炮发射时,身管内被弹丸压缩的空气柱喷出膛口后形成初始流场,它对后续火药燃气流场的发展及弹丸的运动产生很大影响,甚至会降低射击精度。因而,研究初始流场对火药燃气流场的影响机理对于武器设计具有重要的意义。基于ALE方程的有限体积方法,利用AUSM+格式和分区结构化贴体网格对含有复杂形状弹丸的膛口流场进行了数值模拟。根据数值结果绘制的计算阴影图与实验阴影照片符合较好。分别计算了有、无初始流场两种条件下的流场发展过程,详细比较讨论了它们的流场结构与参数特征。结果表明枪炮发射时,身管内被弹丸压缩的空气柱喷出膛口后形成初始流场,它对后续火药燃气流场的发展及弹丸的运动产生很大影响,甚至会降低射击精度。因而,研究初始流场对火药燃气流场的影响机理对于武器设计具有重要的意义。基于ALE方程的有限体积方法,利用AUSM+格式和分区结构化贴体网格对含有复杂形状弹丸的膛口流场进行了数值模拟。根据数值结果绘制的计算阴影图与实验阴影照片符合较好。分别计算了有、无初始流场两种条件下的流场发展过程,详细比较讨论了它们的流场结构与参数特征。结果表明初始流场的存在是火药燃气流场形成冠状冲击波的必要条件。同时,含有初始流场条件下的近膛口区域最大滞止压力相对于无初始流场条件增加了2倍以上。     

湿式同心筒自力垂直热发射技术降温效果研究

为解决同心筒垂直热发射装置的导弹在发射过程中承受温度过高的问题,提出一种在同心筒底部设置水室的湿式发射方式,在发射时或发射前一段时间往水室注入液态水,发射时通过水室中的液态水汽化吸热来降低导弹表面的温度.计算中考虑了水的汽化效应,采用Mixture两相流计算模型求解气液两相流场,网格更新方法采用域动分层法,对不同加水量的湿式发射装置的导弹发射过程进行了数值计算.将15 kg加水量的计算结果与标准和引射同心筒进行了对比.结果表明,加水量为15 kg时,在整个运动过程中导弹表面温度均较低,湿式同心筒能明显降低发射时导弹及发射装置表面的温度.     

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。     

航行体水下高膛压与高速发射载荷特性

水下高膛压高速发射航行体后形成的多相流场复杂多变，产生的载荷影响尚未明确。针对某小口径水下航行体高膛压、高初速冷发射过程，开展发射载荷特性研究，分析航行体发射过程中内弹道阶段、溢出燃气与水相互作用阶段、水锤效应阶段的流场特性与力学特点。基于多相流模型和动网格方法，建立航行体水下高速冷发射过程数值模型，进行气-汽-液多组分数值仿真，对不同时期发射筒的载荷特性及其成因进行分析。研究结果表明：水下航行体高速发射载荷主要来源于内弹道过程与水锤效应，航行体出膛后筒内燃气溢出造成的低压区产生载荷较小；与低膛压、低初速发射工况不同，高膛压发射工况下筒内气体高速大量溢出，水锤效应压力峰值的幅度衰减明显。     

新型舰载同心筒发射过程流场研究

采用同心筒垂直发射装置,内外筒要保证足够的间隙尺寸用来排导燃气,目前舰载发射均采用通垂方式,势必使得内筒尺寸较小,从而导弹的直径也就较小,不利于发挥弹道导弹的优势.在此基础上提出将传统的外筒设计为一方形结构,在与相同尺寸的通垂架相连接的前提下,增加了内外筒之间燃气排导空间,降低发射过程中导弹表面的温度.计算中使用三维动...     

导流机构对激波开盖后盖压强的影响仿真分析

为了解决激波开盖的鱼雷发射箱在无导流隔板工况下可能会使后盖不能成功碎裂的问题,提出2种导流机构的方案,并利用FLUENT软件对2种导流机构在2个安装位置下的流场变化情况进行仿真分析.仿真结果表明:较近的安装位置下2种导流机构均能有效降低后盖的压强峰值,且使得后盖压强分布更加均匀;相比之下较远的安装位置下2种导流机构的导流效果要差一些,其后盖压强峰值更大,且分布更不均匀.     

CFD/DSMC耦合仿真方法在天基发射羽流导流技术研究中的应用

随着载人航天、深空探测的发展,越来越多涉及到探测器的天基发射,如同火箭(导弹)的地面发射,天基发射过程中同样面临着羽流扰动问题。在真空状态下,羽流不受约束地迅速自由膨胀,呈现与地面燃气流不同的流动特性,对于真空羽流导流流场,更是涉及到狭小空间的流动和多种壁面碰撞、反射等过程,羽流流动状态更为复杂。结合某项目羽流导流技术的研究情况,就CFD/DSMC耦合仿真方法在天基发射羽流导流技术研究中的应用进行了探讨。