井下导弹热发射过程的热力学环境模拟.pdf

井下导弹热发射过程的热力学环境模拟总装备部工程设计研究所数值计算与仿真中心张光莹周旭黄咏正赵玉立刘利宏摘要本文首次进行了井下导弹热发射过程的整体数值仿真研究首先建立了完整发射井的物理数学模型，然后进行了井下导弹热发射过程的数值模拟，得到了井下热发射过程中热力学参数变化规律，模拟结果与相关缩比试验及全尺寸发射试验结果吻合利用本文所建立的地下发射井物理及数值模型不仅可以模拟热发射全过程，而且对发射井的结构设计与改造工程具有重要意义主题词C F X ，井下热发射，数值模拟，热力学参数1 引言为了提高洲际弹道导弹自身的生存能力，其发射方式由地面发射转为地下井热发射[ 1 ] 地下井热发射时，具有严重的燃气流冲击效应，其中包括热冲击效应和动力冲击效应所谓动力冲击效应是指发动机点火之初的起始冲击波超压和射流冲击的危害；而热冲击效应是指发射时强烈的火焰和热流所具有的严重破坏性[ 2 ，3 ] 因此，必须预估燃气流的压力、温度的变化以确定其安全的界限，并且根据这个界限进行发射井的结构设计及工程改造理论分析、数值模拟和实验研究是探索火箭导弹燃气流动规律及解决火箭导弹与载体相容和火箭导弹气动干扰问题的重要手段[ 2 3 。

一般来说，理论分析只能处理一些十分简单的问题实验研究虽然能够获得准确的结果，但是存在需要花费大量的人力和物力、周期长等明显不足，而且得到的数据也非常有限数值模拟方法不仅能节省大量人力、物力，而且能为设计者提供希望得到的更多数据和多种可选方案，克服某些实物实验无法模拟的困难，逐渐成为人们普遍采纳的一种重要的研究和设计方法如果将数值方法和实验手段很好地结合，就能够缩短发射装置的研制周期，并降低成本本文在建立发射井整体物理数学模型的基础上，利用流体动力学数值计算软件C F X 针对文献[ 1 ] 中给出的w型井发射过程进行整体数值模拟研究，并且将数值模拟结果与文献[ 1 ] 中的缩比试验结果、全尺寸发射试验结果进行比较，来验证数值模拟结果的可信性，在此基础上给出井下热发射过程相关热力学参数变化规律，用以指导发射井内的结构设计与优化2 基本理论本文研究的是井下热发射过程，属于流体力学问题，因此从流体力学的基本方程出发，采用计算流体力学的方法，对发射井的流体问题进行求解流体力学基本方程组是用方程形式将流体运动时所应遵循的物理定律表达出来，粘性不可压缩流体运动常用N a v i e r —S t o k e s 方程组描述，该方程组的表达式如下：喜+ 鑫( p u i ) - 0鲁( 叫) + 盖( P u i u j ) = 一瓦3 P + F u + u -鲁( P E ) + 争( p E + P ) ) = G质量守恒质量守恒质量守恒注意以上方程并不封闭，在实际处理中，往往根据问题的特点，通过合理的假设、简化和近似，设计一个合理的理论模型。

湍流模式理论在解决工程实际问题中发挥了很大的作用，但是各种模式理论都有一定的局限性，在应用时要根据实际问题的特点选用合适的模式理论标准的k 一模型是进行湍流模拟的首选模型，它通常能够提供流动的真实情况，尤其适合于计算管道和通道中的湍流流动但是，在某些情况下，标准k 一模型会过高地估计湍流量．·1 5 6 ·根据流体动力学理论以及经验，给出湍流、层流判别准则为：当雷诺数R e > 1 3 8 0 0 时是湍流；当雷诺数R e 2 4 7 3O ．1 3 02 1 6 37 9 0全尺寸试验< O ．4 2 3 7 30 ．1 1 < 2 0 7 35 0 0 ’注：加“* ”的数据没有给出实测值，是文献[ 1 ] 中给出的预测值加“+ ”的数据是点火后的第一个峰值，加“# ”的数据是点火后温度最高值，加“一”的数据是点火后压力最低值3 ．温度、压力变化规律_ 0 50 ．00 ．51 ．O1 ．s2 ．02 ．5a 03 ．54 04 ．5“ l i m a ( s e e )012341 1 m e ( s e e )图2 井内a —e 点的压力一时间曲线图3 井内a —e 点的温度一时间曲线图2 、3 分别是井内壁面附近a ( * ，* ，1 ．3 ) 、b ( * ，* ，5 ．3 ) 、c ( * ，* ，9 ．3 ) 、d ( * ，* ，1 3 ．3 ) 、e ( * ，* ，1 7 ．3 )点的压力一时间曲线以及温度一时间曲线。

从模拟结果得到温度分布范围是2 0 6 ．6 —2 8 1 7 K 、压强的分布范围是一9 ．8 1 2 e 4 ～2 ．7 1 3 e 5 P a 注意这里给出的是相对压力，参考压力为1 0 1 3 2 5 P a 从图2 发现，在点火后很短时间内压力增高很快，5 个点的压力都在0 ．0 1 ～0 ．0 2 s 时刻附近达到最大值，a 点的值最大，为0 ．0 4 4 7 6 6 M P a 然后随着引射气流建立，压力有一定程度的下降，并且形成了负压，在O ．8 s 左右达到达到最低值保持一段时间后压力又开始上升，当火箭点火2 ．O s ～3 ．0 s 后，火箭距离井底的距离逐渐增大各点的压力开始增加，a —e 点增加的速度依次减小按照这个趋势发展，预计当火箭到达井口附近会出现正压，随着出井燃气流向周围大气中排放，井中的压力会逐渐将为0 P a 从图3 中的曲线可以得到点火后温度的发展过程在开始时热是由燃气流动传输的，而在后来辐射的效果明显从图中可以看到，5 个点的温度都在O ．2 s 时刻达到一个最大值，然后随着时间的延长温度开始下降，·1 5 8 ·硼砌彻伽鼬og当箭亩拿aJ^—l=一坐童霉jd在0 ．6 ～0 ．8 s 附近达到最小值，然后随着时间延长温度开始上升，并且在刚开始时a 点温度上升的幅度最大，而d 、e 点的温度上升很小。

出现第一个峰值的原因是刚开始点火，引射气流还没有建立出现第一个谷值的原因是引射气流已经建立，通过引射气流流失的能量大于燃气流注入的能量，所以温度有一个下降但是随着发射的进行，温度积累增加，使得井内的温度升高在4 ．0 s 时刻a 点燃气的温度达到2 1 4 5 K 从图中还发现随着时间延长，温度上升速度下降，在3 ．0 s 后各点的温度曲线的斜率基本相同，也就是各点的温度上升速度基本相同图2 、3 给出发射井内壁面附近点的压力、温度随时间的变化关系图4 、5 是井壁及冲击区壁面上的点a( * ，* ，1 ．3 ) ，b ( * ，* ，9 ．3 ) ，c ( * ，* ，1 7 ．3 ) ，d ( * ，* ，一5 ．2 7 0 5 ) 的压力一时间及温度一时间曲线在图4 、5中发现冲击点d 的压力和温度都远远高于其他点的温度比较图2 、3 及图4 、5 发现井内以及井壁上的压力和温度随时间的变化趋势基本相同，但是变化范围不同，即井壁上点的压力和温度要低于井内点的压力及温度O1234“ l ' n r m ( S 嘲O’234“ l i m e ( & c )图4 井壁及冲击区壁面上a —d 点的压力一时间曲线图5 井壁及冲击区壁面上a —d 点的温度一时问曲线4 结论本文在建立发射井整体模型的基础上对井下热发射过程进行了整体数值模拟研究，将模拟结果与文献[ 1 ]中的试验结果进行了对比，发现数值模拟可以较好地模拟井内的热力学环境，但是导流槽中的模拟结果不是很理想。

还通过井内选定的几个点以及壁面上的几个点的压力一时间曲线和温度一时间曲线给出热发射时的压力、温度随时间的变化规律，总结如下：1 ) 温度、压力的分布范围分别是2 0 6 ．6 ～2 8 1 7 K 、一9 ．8 1 2 e 4 —2 ．7 1 3 e 5 P a ；2 ) 温度、压力值都在发射开始时增高很快，后来在引射气流建立以后，温度、压力值都有一定程度的下降；3 ) 在引射气流建立后，压力降为负压，随着火箭接近井口，压力又开始回升；壁面附近燃气温度在0 ．8 s 以后开始稳定上升，但是不同高度的温度上升速度不同，在3 ．0 s 以后上升的速度基本相同；4 ) 隐射气流建立后，井内的温度升高，还发现随着时间延长，温度上升速度下降，在3 ．O s 后各点的温度上升速度基本相同还需要说明的是，本文给出的模拟结果井内部分与试验比较符合，而在导流槽中温度要高于试验的值，说明井壁及导流槽壁处理为绝热壁是不恰当的在实际的发射过程中，井壁以及导流槽壁损耗燃气的热能，主要包括以下几个方面：1 ) 井壁及导流槽壁的热传导；2 ) 井壁、导流槽壁及火箭体的温升；3 ) 燃气对井壁及导流槽壁的烧蚀造成的热损失等。

在以后的研究中通过假设一个壁面的传热系数来平衡这部分热能的损失参考文献黄怀德，李宪珊，褚桂敏，曹美生，振动工程，宇航出版社，1 9 9 5 任思根等，实验空气动力学，宇航出版社，1 9 9 6 甘楚雄，刘冀湘，弹道导弹与运载火箭总体设计，国防工业出版社，1 9 9 6 张也影，流体力学，高等教育出版社，1 9 9 9 周光垌，严宗毅，许世雄，章克本，流体力学，高等教育出版社，2 0 0 1 ·1 5 9 ·2一鲁帮五孽∞一——曼一e磊瑟盂。