固体发动机水下点火尾流变化过程试验研究

采用高速摄像机对发动机水下点火工作的尾流生长变化过程进行了记录,获得了尾流形态及其演化过程,分析了水环境对发动机尾流结构变化的影响。试验结果表明,发动机水下点火瞬态特性与空气中有很大的不同,水下尾流前进速度相比在空气中显著降低,同时轴向阻滞作用导致尾流向径向扩展;尾流可分为气泡区、掺混区和混合区;尾流一直发生小幅震荡,间歇发生大幅震荡,小幅震荡和大幅震荡是发动机水下工作的基本属性。

不同发射深度下导弹水下点火气水流体动力计算

从流体动力角度研究了不同发射深度下，导弹水下点火这一非定常非线性过程。整个系统分为外部水流场、喷管流场和燃气泡流场三个区域加以考虑。水流场采用不可压势流模型，用边界元方法求解；喷管内流场采用非定常一元流动模型，用特征线差分法求解，并设置了激波检测功能；燃气泡采用基于质量和能量守恒的零维计算模型。在时间域中用步进方法实现了三个流场的耦合求解。给出了四种发射深度下的数值计算结果，展示了导弹水下点火的一些重要特征。

利用球形气泡模型研究导弹水下点火瞬间的推力状况

本文利用由球形气泡假设所得到的简单数学模型研究了导弹在水下点火瞬间所受到的推力状况。计算结果显示由于水的惯性作用,导弹在水下点火瞬间所受到的推力将急剧增大,推力峰值随着喷管喉部截面积和膨胀面积比的增大而增大,而随着导弹发射深度的增大而减小,导弹所受到的推力在峰值后将出现低频波动。

导弹水下点火推力峰值问题的数值研究

通过对燃烧室内燃气采用常微分控制方程,对喷管-燃气泡流场采用准一维模型,数值研究了导弹水下点火初期推力峰值与燃气泡初始体积、喷管尾盖打开压强、发射深度等参数的关系。对水流场采用势流理论并通过边界元方法求解,水流场和燃气泡流场由交界面上的压力连续和速度连续条件相互耦合;利用准一维气流场模型计算得到的结果表明导弹在水下点火后瞬间所受推力将急剧增大,与利用球形气泡模型得到的结果一致。计算结果还表明推力峰值随着燃气泡初始体积的增加迅速降低,随着喷管尾盖打开压强的增加而增大,随尾盖质量的增加而增大;在一定范围内发射深度的变化对推力峰值影响较小,计算结果可为工程设计部门提供参考。

筒口流场及其对发动机水下点火影响的数值模拟

研究了导弹水下发射时筒口流场特性,并就筒口流场对发动机水下点火初期的影响进行了分析。采用Mixture多相流模型和RNG湍流模型以及动网格技术,求解了不同工况下二维轴对称筒口流场及发动机喷流流场。计算结果表明,水深越大,筒口气泡断裂越早;燃气发生器熄火时,弹底离筒口越远,气泡断裂对发动机影响越小;燃气发生器延迟熄火,有利于发动机喷流的建立。

航行体水下点火三维流场数值模拟

采用三维网格和VOF(Volume of Fluids)多相流模型,对非轴对称、X型舵的航行体水下点火这一非稳态过程进行了三维流场数值模拟,捕捉了燃气泡的形成、发展及断裂过程,得到了航行体水下点火初期的流场变化和阻力变化,并进行了相关因素探讨和结果对比分析。研究表明,燃气泡的发展变化过程对航行体流场和阻力产生影响。该研究可为航行体水下点火设计及试验提供参考。

嵌金属丝端燃药柱固体发动机水下点火数值模拟研究

为探讨降低固体火箭发动机水下点火初期推力峰值的方法,通过对燃气采用常微分控制方程、对嵌金属丝采用一维传热方程、对端燃药柱采用二维轴对称传热方程、对燃气泡采用球形气泡模型,就嵌金属丝端燃药柱发动机水下点火的工作过程进行了数值模拟研究。算例结果显示,发动机水下点火初期的推力峰值小于稳定工作推力,初始燃面积对推力峰值影响较大,发动机达到稳定工作推力所需时间随药柱直径的减小而迅速减小,发射深度的变化对推力达到稳定状态所需时间影响很小。

导弹尾部外形对发动机水下点火推力的影响

利用球形气泡模型,通过数值求解研究了导弹尾部对发动机水下点火时推力峰值、尾部压力分布以及推力波动特性的影响.计算结果表明:尾部收敛段半锥顶角的变化对推力峰值影响较大,半锥顶角大于45°时,随着半锥顶角的减小,推力峰值缓慢下降;半锥顶角小于45°时,推力峰值随着半锥顶角的减小而加速下降;半锥顶角对推力达到峰值的时间影响较小;推力达到峰值时尾部收敛段压力分布变化较大;半锥顶角对推力波动特性影响很小.

水下点火推进尾空泡振荡的研究

本文通过对水下航行体垂直发射出筒后尾空泡内点火推进过程的数值模拟研究,获得了其尾空泡演化的一般规律,并与相应的试验结果进行了对比;进而给出了燃气尾空泡周期性地膨胀、颈缩、阻滞、脱落的演化规律,以及与尾空泡内的压力振荡、喷管扩张段内激波前后移动的相关性。研究表明:水下航行体尾空泡内点火与空中点火、水中直接点火形成的燃气射流存在明显差别,水下点火推进同时会形成对水下航行体额外的振动激励;尾空泡收缩阶段,亚音速射流在尾空泡颈缩处膨胀加速,使尾空泡持续颈缩进而形成对燃气的阻滞作用,是形成尾空泡近似周期性形态演化、空泡压力剧烈振荡的主因。

水下点火过程及其影响因素仿真

火箭发动机水下工作时的流场特性与空中完全不同且对水下工作环境非常敏感。为了研究水下点火流场的非定常演化过程及点火水深、航行速度、汽化反应的影响规律,利用VOF多相流模型及SST k-ω湍流模型模拟了不同环境下的水下点火过程。研究结果表明:发动机水下工作过程大致分为3个阶段——初期发展阶段、振荡发展阶段与推力稳定阶段,稳定阶段尾流场又可划分为射流区、过渡区和掺混区,各阶段的划分受水深、航速等变量的影响;振荡是水下发动机工作最主要的特征,喷管出口燃气射流流动状态决定了流场与推力的基本特征;航速主要影响燃气泡形态演化规律,表现为轴向长度、颈缩程度增大;受汽化效应影响,流场中出现水蒸气的聚集现象,但由于作用时间短、水汽化量小,对流场与推力的影响相对较小。

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。

导弹水下发射近筒口点火时机选择影响研究

潜射导弹蒸汽-燃气弹射出筒时,弹尾会附着燃气泡,该尾空泡的发展形态会对水下点火燃气射流流场的建立产生影响。为了研究水下发动机不同工作状态发射流场结构变化及原因,采用Mixture模型和动网格技术对发动机处于尾空泡的三种包覆状态:扩张初期、收缩初期、完全闭合状态(对应点火位置分别为2.2m,4.3m,6.5m)的燃气射流动态流场进行数值模拟。仿真结果表明,尾空泡收缩程度越大,发动机喷管流场结构越复杂,尾空泡不断地膨胀-颈缩,使得发射平台受到较大的压强脉动;当尾空泡未处于收缩状态阶段且发动机运动一定安全距离4.3m时点火,既有利于燃气射流流场的建立,同时发射筒及艇体受到的压力脉动最小,从而有效地提高了水下点火发射的安全性。

固体火箭发动机水下点火两相流流场瞬态数值分析

用FLUENT软件,使用VOF模型对固体火箭发动机水下点火过程的气液两相流场进行了瞬态数值求解,对燃气泡的发展过程、喷管中燃气的流动过程等进行了分析,并与发动机在大气中工作时的流场结构进行了比较。研究表明燃气通道存在周期性的径缩现象,燃气激波结构被压力震荡破坏,与在大气中工作时的流场结构存在较为明显的差距。

大水深点火水下助推发动机设计要素研究

潜射航行体采用大水深发射方案,能够有效提高发射的隐蔽性,但同时也会对航行体水中段运动控制带来挑战;通过采用助推发动机水下点火结合推力矢量控制,能够对航行体在水中段和出水过程中的弹道和姿态进行有效控制;通过分析水下助推发动机设计需求,对发动机水下点火工作的原理、特点和设计要素开展研究,并给出了明确结论。

水下点火与水下发射

本文从技术角度对发动机水下点火、水下发射进行了较全面的分析，着重分析了水下点火、发射方式和空泡过程三者之间的内在联系及其对出水弹道、水下航行体冲击振动的影响。通过分析得出结论：（１） 大深度、变深度、变航速和全天候发射是潜艇发射导弹着力追求的目标。采用发动机水下点火技术和弹道控制技术，是实现这一目标的重要手段，也是唯一手段。（２） 水下垂直发射技术是潜艇水下发射战术导弹的发展方向。（３） 为提高水下发射武器的作战能力、作战水平并适应现代海战的要求，自抛发射应是潜艇水下垂直发射战术导弹。

水下燃气射流流场数值研究

研究了固体火箭发动机水下燃气射流流场的复杂多相流问题。采用多相流M IXTURE模型,考虑了流体的可压缩性、粘性、重力作用、气水掺混效应和能量交换等各项因素。选取标准k-ε湍流模式,运用有限体积法对轴对称湍流射流流场进行数值模拟。通过对无来流情况下湍流射流模拟,发现了燃气射流的颈缩、断裂和回击现象,并通过分析解释了产生这一现象的原因。计算了有来流情况下的射流流场,发现有来流情况下燃气射流没有断裂和回击现象。

导弹水下发射时喷管的气体流动

针对导弹水下发射时喷管的气体流动问题 ,建立了水下喷管流的简化模型 ,定性地研究水环境的惯性对水下喷管内气体流动造成的阻滞作用。计算显示受阻滞流量ΔQ及受阻滞时间Δt和喷管的喉部面积At 呈幂函数关系 ,固定其他参数仅改变水深 ,ΔQ及Δt和进口处气体的滞止压力p0 与当地水下静压之间的压力差也有幂函数关系。结果表明喷管所处的水下深度越大 ,喷管内气体流动受阻滞状况也就越严重 ,而减小喉部面积At 和适当增加膨胀比Ab/At 以及增加滞止压力p0 ,均有助于改善水环境对喷管喷出气体造成的阻滞状况。

水下推力矢量特性试验研究

本文介绍了固体火箭发动机水下推力矢量特性试验。通过测量固体火箭发动机水下工作过程中的推力和侧向力 ,研究了扰流片和摆喷管两种推力矢量方式的水下推力矢量特性。对扰流片推力矢量方式 ,获得了推力、侧向力、推力矢量角随发动机喷口堵塞面积比、水深的变化规律。对摆喷管推力矢量方式 ,获得了推力、侧向力、推力矢量角随发动机喷管偏角以及水深的变化规律。

导弹模型水下发射动响应测试研究

本文考虑导弹水下发射时的力学环境条件 ,给出了导弹模型水下点火动响应测试试验原理与实现方法。并基于某导弹缩比模型进行了实际测试 ,取得了导弹模型水下发射时发动机推力以及相应的结构壳体应变量等参数。结果对一类潜射导弹结构强度总体设计有指导意义。

火箭水下发射复杂流场的近似数值模拟

本文对火箭水下直接点火发射过程中 ,喷管内高温燃气的推进和气囊的形成、发展等流动演变过程提出了一类简化的模型 ,并进行了非定常粘性可压缩流 Navier- Stokes方程的数值模拟。计算结果表明了简化模型的合理性 。