车载同筒复燃流场的动网格分析

车载同筒复燃流场的动网格分析

1热环境仿真研究由于良好的兼容性、低负荷、发射率高、维护方便、全面覆盖等优点，定远发射系统充分满足了武器装备综合作战能力的要求，受到各国海军的喜爱。现在它也被用于船舶和货物探测系统。而陆基车载同心筒自力发射概念是基于国土战略安全提出的新型发射方式,因此,将同心筒应用到陆基车载武器中也成为武器系统的发展方向之一,新的发射环境也为导弹和发射装置的热防护赋予了新内涵。导弹发射过程中,同心筒发射装置直接承受高温高速燃气流的强动力冲击和强热冲击,如何优化发射装置热结构,准确模拟并改善导弹与发射装置的热环境成为同心筒自力发射系统的研究热点问题。在同心筒自力发射方面,已有学者对开盖技术,动网格技术进行了研究,分析了静、动态流场等,许多学者致力于改善同心筒发射装置的热环境,提出了一些新型同心筒概念,有“引射同心筒”概念,“变截面同心筒”概念等。目前,同心筒也在潜载通用发射系统中得到了应用,水下同心筒发射燃气流和水混合、汽化的问题也成为一个重要发展方向。从现有的研究进展来看,基于陆基车载发射方式的同心筒发射方式热环境研究鲜有报道。导弹发动机采用复合富燃推进剂,喷出的射流含有未完全燃烧的可燃气体,包括H2、HCl、CO等可燃气体,为准确模拟陆基车载同心筒发射流场结构,分析新型车载同心筒排导效果并评价其热环境。鉴于建立的模型具有完全轴对称性质,本文采用二阶AUSM格式,对考虑H2-HCl-CO复燃的轴对称燃气流场进行数值研究。2流模型和数值计算方法2.1aier-stkes方程的恒常拟合本文进行动态数值计算,伴随着控制体的运动、生成与消失,对流体运动描述宜采用任意拉格朗日欧拉方法(ALE)。带化学反应的ALE形式轴对称Navier-Stokes方程组的守恒形式可以表述为:其中:式中,t是时间变量;ρi(单组份流时i为2)为组分密度;ρ为混合气体密度;u、v分别为x、y方向速度分量;p为混合气体压强,对于理想气体满足状态方程P=(γ-1)ρe;Di为组分扩散系数;uw、vw为控制体表面速度;γ是比热比;τ为粘性应力张量;e为混合气体单位质量内能;E为混合气体单位体积总能量;hi为组分单位体积焓;h为混合气体单位体积总焓;ω·为组分质量生成率。2.2阶ausm和粘度项本文对于控制方程组的求解,方程的对流项采用二阶AUSM格式,而粘性项采用中心差分格式,为匹配高阶格式,时间项则取二阶R-K格式。燃烧室出口平衡组分质量分数如表1所示。2.3工反应速率r一个具体的基元反应可以表述为:式中,Mj为组分j的化学分子式;N为基元反应的数目;vj'和vj″分别为组分j在基元反应中反应物和生成物的当量反应系数。Kfj,Kbj分别为基元反应的正向反应速率常数和逆向反应系数常数。反应前后组分j的质量生成速率则可表述为:式中,r代表当前化学反应;Cj,r是反应物或者生成物j在当前反应中的摩尔浓度;v'l是在r反应中反应物或者生成物j的正向反应速率指数;vl″是在r反应中反应物或者生成物j的逆向反应速率指数。Arrhenius最早提出:只有当能量超过一定值的高能活化分子才能产生化学反应,并提出用玻尔兹曼因子来计算化学反应速率。反应速率表示为:式中,Ai为指前因子;ni为温度指数;Ei为活化能;R为普适气体常数;T为反应物温度;对于给定的化学反应,Ai,ni以及Ei的值与浓度或温度无关,仅与基元反应的特性有关。AiTni称为碰撞频率。考虑H2,HCL,CO可燃性气体在环境中的二次燃烧,应用12组分(H、H2、O、OH、O2、H2O、CO、CO2、HCl、Cl、Cl2、N2)、17个基元反应的有限速率化学反应模型,化学反应机理如表2所示。3外筒辅助支撑设计典型同心筒结构主要由内筒、外筒、筒底半圆形端盖和内外筒辅助支撑组成。本文以经典同心筒结构为参照,针对陆基车载同心筒自力发射系统进行研究。陆基车载方案中,底部有导流锥结构,该方案具有完全轴对称性质。4数值分析4.1外筒发酵条件对比图1给出了导弹表面在各时刻的温度分布图,从0.01~0.03s导弹表面的温度变化规律可以看出,随着导弹的点火,导弹下表面的温度出现上升的趋势,说明在发射装置内筒,出现了燃气流向上运动的“引射”效应,导弹下端被部分高温气体束包围;从图1中可以看出,从0.03~0.10s时刻,出现了0.1s导弹下端的温度低于0.03s对应的温度,而0.1s导弹上端的温度却明显高于0.03s对应的温度的现象,这说明在0.1s时刻,内筒气体向上运动的“引射效应”基本消失,且内筒中的高温燃气和筒内富氧气体混合并发生了二次复燃,使得0.1s时刻导弹中上部的温度高于0.03s时刻其温度对应值;另外,从图1可以看出,从0.10s时刻到0.12s时刻,导弹表面的温度逐渐下降,且温度峰值向导弹下端移动,说明在新型车载同心筒内部,出现了筒内气体向弹底运动的“倒吸效应”,导弹中上段的燃气复燃基本结束,而倒吸进入导弹底部的富氧气体和底部燃气混合并发生化学反应,使得导弹底部温度明显高于中上部温度。图2给出了外筒壁面不同时刻温度观测值,从图中可以看出,伴随着导弹的运动,燃气流的排导趋于稳定,外筒的温度逐步升高,并趋于一致,达到了接近3000K左右的高温。图3和图4分别给出了0.31s和0.5s时刻新型车载同心筒单组分流场和化学反应流场温度分布对比图。由前面的分析可知,在0.31s时刻和0.5s时刻,内筒处于富氧气体倒吸进入并与高温燃气混合的阶段,因此,从图3、图4可以看出,富氧气体和高温燃气混合并在外筒发生明显的化学反应。外筒中,化学反应流对应的温度明显高于单组份流对应的温度;在内筒未反应完的可燃气体被导流板排到筒外,吸卷富氧空气并发生明显化学反应,对应温度比单组份流高600K左右;单组份流场和二次复燃流场中,在流场结构趋于稳定后,低温气体不断被倒吸进入内筒,导弹和内筒受到气冷保护作用,导弹及内筒的热环境均优良,几乎能维持在300K左右的低温。4.2外筒和内筒各组分的共同反应特性图5给出了0.5s时刻主要组分(包括O2、CO、H2及HCL可燃成分)的质量分数分布图。从上述的分析可以看出,0.5s是筒外富氧气体倒吸进入内筒的时刻,从图5(a)可以看出,导弹下方,在燃气流马赫盘外表面,O2被高速吸卷,燃气速度很高,无法充分混合,复燃现象较弱,O2被卷吸进入外筒和燃气流进一步混合,在外筒发生明显的化学反应,从图5(a)可看出,在外筒筒口部位,O2基本被耗尽,燃气被导流板排入大气中,与氧气进一步反应。从5(a)、(b)、(c)中可以看出,CO、H2、HCL等可燃组分和O2的分布规律刚好相反。另外,比较这三种主要可燃组分的质量分布规律可以看出,H2含量最少,在筒内反应最为充分,HCL和CO含量较多,且未反应完全,在导流板筒口附近出现了明显的沉积。图6和图7分别给出了0.5s时刻导弹表面和外筒观测面化学反应复燃流和单组份流的温度对比曲线。从图6可以看出,在导弹底部,倒吸进入的富氧气体和燃气发生明显化学反应,底部温度比单组份流高800K左右,两种计算模型中,导弹的热环境均优良;图7中,在内筒未完全反应的燃气和富氧气体混合在外筒也发生明显化学反应,外筒壁面温度比单组份对应值高800K左右。5复燃流场数值结果(1)建立了考虑H2-CO-HCL反应体系12组分17步基元反应的轴对称复燃流场模型,结合域动分层的动网格技术进行了动态的数值求解;(2)复燃流场的数值结果表明,在导弹启动初期,内筒出现了燃气向