基于橇载喷管背压控制的引射装置设计与研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国防科技创新特区项目()作者简介:张晨辉()男硕士副研究员:.:./.基于橇载喷管背压控制的引射装置设计与研究张晨辉谢波涛王宝林杨 洋(中国兵器工业试验测试研究院 陕西 华阴)摘要:为解决火箭橇试验橇载喷管背压过高的问题验证引射装置设计的可行性建立了二维引射性能预估模型利用 软件并采用 湍流模型研究引射装置及其关键设计参数对喷管内部流场的影响揭示了试验装置内外流场掺混机理 数值分析结果表明:引射装置适用于大扩张比、低 数试验工况引射装置总压、引射流量越大引射效应越明显引射装置与喷管尾端的距离、引射角度大小与引射
2、效率呈负相关设计中应保证引射装置燃气/空气流量比为.以上引射位置在中部和后部时激波前的试验面积分别增加了.、.引射装置的加入使得试验段平均马赫数由.提升至.均匀度提高约 关键词:火箭橇喷管引射装置扩张比本文引用格式:张晨辉谢波涛王宝林等.基于橇载喷管背压控制的引射装置设计与研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():./.:引言火箭橇试验是介于风洞试验和全尺寸自由飞行试验之间的一种大型现代化地面动态测试试验系统通过利用火箭发动机推动火箭橇车在专用滑轨上高速前进来模拟真实的试件飞行速度、加速度和高速气流环境获得试件的动态试验数据进而分析其气动特性 常规火
3、箭橇试验相比风洞试验一个显著的不足之处是它无法对高空来流进行模拟根本原因在于火箭橇试验都是在地面进行其来流条件只能是地面 高度处的大气来流 对于该问题可以在火箭橇试验件上游增加进气道使得气流在到达试验区域之前加速并降低静压以模拟高空高速来流 等在火箭橇上固定一个收敛/扩张喷管实现高海拔气流状态模拟通过仿真及试验方法验证了方案的可行性 但是该装置存在着喷管结构过膨胀现象使得试验器内部存在着激波现象出口处背压较大无法实现试件周围气流顺利膨胀针对上述研究背景国内外开展了一些研究工作 等对霍洛曼高速飞行测试轨道的测试手段进行了阐述为了模拟高海拔下的低压强以及低温度在火箭橇上固定一扩张喷管实现了高海拔环
4、境的模拟针对高背压引起的测试环境的流场激波问题在尾部增加一个低压容器起到保护作用 等在火箭橇上放置一喷管对来流进行加速减压模拟高空环境分析了收敛/扩张喷管和扩张喷管的流场特征研究显示 种结构各有优缺点收敛/扩张喷管会产生较大的阻力 目前引射在火箭冲压组合循环发动机()中应用较多经常采用引射方式抽吸外界空气解决了发动机低速启动问题 黄生洪针对 发动机分析了 的引射模态建立了三维燃烧流场分析了流场特征以及掺混损失问题 针对 的引射能力林彬彬等分析了主次流总压比对空气引射的影响 掺混过程是 的重要过程张建东等对 发动机内的气流掺混过程进行了仿真计算分析了掺混段的长度和出口静压对掺混和发动机性能的影响
5、为了避免收敛段对火箭橇产生较大的气动阻力本文中只保留扩张段的设计由于引射装置可改变流场静压的性质为了探索火箭橇喷管背压的新型改善方法借鉴引射装置在 发动机中的应用本文中开展喷管背压控制引射装置与试验系统的参数匹配性研究通过计算流体力学方法对二维流场进行了计算并利用控制变量法研究低马赫、大扩张比情况下不同引射器设计参数对引射效果的影响规律提出引射装置设计原则并评估背压控制效果为后续的引射装置的研制提供参考 研究对象本文中研究对象由扩张喷管和尾流道组成扩张喷管作用在于将低速来流气流膨胀加速为高速气流内型面由曲面扩张段和直筒试验段组成在来流马赫数不变的情况下通过固定直筒试验段调节曲面扩张段与直筒试验
6、段之间的夹角来改变扩张比/为被试品等提供连续变马赫数试验条件仿真模型结构如图 所示图 仿真模型结构示意图.其中试验段宽度 .入口 根据扩张比确定.轴向长度、分别为.、.、.在后续的引射参数影响分析部分对模型进行了简化忽略了壳体壁厚即用一条线表示内外流场的分界线大角度的尾流道作为扩张型流道起到了遮挡作用可改变装置外部气流的方向将激波位置后移降低等效背压同时考虑在壁面安装引射装置研究其对试验流场分布的影响如图 所示图 中 表示引射装置的安装倾斜角 引射角度图 仿真模型简化示意图.数值方法进口边界条件设置为压力远场来流压强为 温度为 出口为压强出口压强为 引射装置为质量流量入口边界见表 总温为 根据
7、具体工况调节流量采用 软件湍流模型为 模型图、图 仿真模型的计算网格如图 所示在壁面附近均有 层的边界层控制在 以内保证满足湍流模型的要求 为了验证仿真计算精度对某试验模型进行计算将总压仿真值与试验空速管总压测试结果进行对比二者之间最大误差为.除去最大误差点其他误差变化范围约为.对仿真模型分别按照 万、万、万、万的规模进行网格划分开展仿真模型的网格无关性研究可知满足计算精度要求的网格量级应该在 万以上张晨辉等:基于橇载喷管背压控制的引射装置设计与研究图 种仿真模型流场网格.计算结果及分析.引射装置工作条件引射装置的目的是为了消除扩张喷管内部激波因此只有在喷管内存在激波时引射装置才有存在的价值本
8、部分主要分析喷管内存在激波的工况即引射装置的工作条件模拟高空的扩张喷管类似火箭发动机的尾喷管只有喷管产生正激波时试验段才会产生激波 根据一维等熵流理论以及正激波的公式(式()、式()本研究计算了不同工况下扩张喷管产生激波的条件 ()()式()、式()中:、分别为正激波前密度、速度、压强、分别为正激波后密度、速度、压强 为来流马赫数 为气体绝热指数模拟高空扩张喷管主要参数涉及喷管的扩张比和来流速度 根据上述公式表 给出了不同工况下管道内产生正激波的尾部压强条件由表 可知在来流马赫数为.、扩张比为、.、的情况下引射装置才起作用表 不同工况下的激波产生的背压()()扩张比.来流马赫数.来流马赫数为.
9、、扩张比为、.、的情况下试验区域理论 数分别为.、.、.图 为 .各工况下 数云图 从图 中可以看到在扩张比为.情况下扩张比最大的直管道内的 数均达到了理论的最大值在试验管道的后部出现了一道正激波减速增压与外界环境匹配 在扩张比为.、.情况下激波已经前移到了试验段在试验段并不是严格的正激波形式出现而是以一定强度的斜激波形式出现图 来流 .、不同扩张比下的 数云图.同时可以看出扩张比为.、.时在试验段内有些区域的 数超过了理论值产生了过膨胀现象形成了激波反射现象使得试验段的 数出现了波动但 数波动并不大为了获得更均匀的速度场可以通过优化喷管扩张段的内型面避免尖点的出现减弱这种现象的影响对比仿真和
10、理论计算可见在扩张比为.及.情况下(.)理论上会在直管内产生正激波仿真中并不是严格的一维等熵流动过程同时存在着前部的过膨胀现象因此出现了斜激波现象 在扩张比为.的工况下由于与临界值差异较小也不是严格的一维流动仿真中并没有出现激波现象 尽管有上述的差异但可以看出上述理论分析对引射装置与试验装置的匹配性进行了基本准确的预测阐述了激波存在的机理表明引射装置的加入是有效的并适用于低马赫数、大扩张比的试验工况.引射装置结构设计参数研究为研究引射装置对流场特征的影响机理以来流马赫数.、扩张比 的工况进行计算分析引射装置及不同引射设计参数对流场的影响具体参数取值见表 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表
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