引流式直接力装置动态特性研究
刘玉磊 张泽远
摘要：直接力技术是未来先进空空导弹所亟需的技术之一，对直接力装置内阀头运动与流场动态耦合过程的研究成为方案设计人员所关注的问题。本文以某型尾端引流式直接力装置方案为研究对象。建立阀头打开、关闭过程仿真分析模型，对阀头运动与内流场变化的动态过程进行研究，得到阀头打开、关闭过程的运动规律曲线以及装置内流场的变化情况。为直接力装置的详细方案设计和后续验证试验提供依据。
关键词：直接力装置；动态气动特性；阀头设计；仿真分析
中图分类号：TJ763；V43 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2017）02-0043-06
0引言
直接力装置能大幅提高空空导弹的机动性，且具有结构简单、重量较轻、响应快速、推力较大、控制方便等优点，是未来导弹武器的关键部件，具有强烈的军事需求和广泛的应用前景。自20世纪60年代起，国外便对直接力技术的应用进行了大量的试验和数值研究。国内相关的研究起步较晚，研究的重点集中在侧向喷流干扰流场中的波系、涡系结构以及流动的分离与再附等复杂的流动现象。
随着直接力技术成熟度的提高，对直接力装置动态特性的研究，特别是装置内阀头运动与内流场动态耦合过程的研究越来越成为方案设计人员关注的问题。另外，这种动态耦合过程所产生的动载荷和气动力波动会对弹体结构以及控制精度产生影响，准确预测直接力装置的非定常效应对导弹总体及控制系统设计非常重要。本文以某型尾端引流式直接力装置方案为研究对象，建立阀头运动流场动态耦合过程仿真分析模型，对阀头运动与内流场变化的动态过程进行研究，为直接力装置的详细方案结构设计提供了依据。
1数值模型
1.1几何结构
本文研究的直接力装置结构方案示意图如图1所示。
直接力装置内的燃气流动分为三部分：（1）发动机尾喷管内燃气流动，主要用来产生发动机轴向推力，同时也是发动机侧向力及其他控制力的动力源，称为主流；（2）侧向喷管内燃气流动，主要用来产生侧向力，称为侧向流；（3）先导阀内燃气流动，可实现对侧向力流动开关的控制，称为控制流。本研究中阀头运动流场动态耦合过程为典型的动网格非定常流动问题，计算量大，耗时长。因此，从减少计算量简化模型几何尺度的角度考虑，本研究中的流场范围仅包含侧向流和控制流两部分。
本研究直接力方案中，阀头的打开与关闭由先导阀控制，先导阀打开阀头底腔，燃气迅速通过排气管路排空，使得主阀头打开，产生侧向力。先导阀关闭，阀头顶腔内燃气通过阀头平衡孔向阀头底腔充气，使得阀头底部压力升高，主阀头关闭。阀头打开过程的几何模型如图2所示，阀头关闭过程的几何模型如图3所示。
1.2基本假设
a.忽略阀头摩擦力及间隙漏气对阀头运动的影响：
b.燃气无化学反应，忽略两相流动；
c.侧向力阀头运动过程中入口压力无变化，保持恒定；
d.先导阀打开与关闭过程瞬间完成，无时间延迟。
1.3网格更新技术
为了阀头动网格的实现，本研究中将计算模型划分为四面体非结构计算网格，联合使用弹性光顺法和局部网格重构法对计算网格进行更新。在阀头上下表面附近进行局部加密，以适应不规则的气流通道，并提高计算精度。阀头打开模型的初始网格数为82万，分为阀头顶腔域、喉部及扩散段域、阀头平衡孔域、阀头底腔域以及排气管路域五个计算域。阀头关闭模型的初始网格数为73.7万，分为阀头顶腔域、喉部及扩散段域、阀头平衡孔域、阀头底腔域四个计算域。
1.4计算方法
根据所建立的网格模型进行数值模拟，以人口压力、出口压力为边界条件，参数设置如表1所示。瞬态的时间步长为1.0×10-6s，每一时间步的迭代次数为30，动域与静域间采用Interface连接。
2阀头打开过程
在直接力装置默认状态下，先导阀关闭，由于阀头平衡孔的作用，阀头底腔与阀头顶腔压力平衡，主阀头处于关闭状态。当先导阀打开时，阀头底腔排气管路接通，燃气经排气管路迅速排出，造成阀头底腔压力下降，最终使得阀头向下运动，直至完全打开。当需要阀头关闭时，先导阀关闭，切断排气管路，燃气经阀头平衡孔向阀头底腔充气，使得阀头底腔压力升高，形成阀头向上运动的驱动力，完成阀头关闭。阀头打开和关闭运动的总行程为5.2 mm，且定义阀头关闭时行程为0 mm，打开时行程为5.2 mm。
阀头打开过程的仿真计算以先导阀打开，阀头行程为1.2 mm时的稳态流场为初始计算流场。
2.1阀头运动规律曲线
阀头行程见图4，从图中可以看出，阀头0时刻开始运动，从1.2 mm行程运动到5.2 mm行程的打开过程持续约1.44 ms。
打开过程中阀头轴向力方向始终沿着阀头负向，即打开方向。阀头轴向力曲线见图5，由图可见，轴向力大小呈先减小后增加的变化趋势。主要是因为在主阀小开度情况下，阀头表面的燃气流通面积较小，燃气流速较快，导致位于收敛段的阀头表面压力下降程度较大，同时由于燃气流量较小，使得位于扩散段的閥头表面燃气压力增加较小，阀头轴向力呈减小趋势。阀头最小轴向力为1 276.7 N，此时，阀头运动0.4 ms，阀头开度达到1.5 mm左右。随着阀头开度的继续增加，燃气流通面积增大，此时虽然收敛段的阀头表面压力下降程度有所增大，但阀头扩散段表面压力的增加更为显著，使得阀头轴向力持续增加，最大值约为1 545.3 N。
阀头速度如图6所示，可以看出，阀头冲击底座的最大速度（取绝对值）为5.68 m/s，阀头速度接近线性匀加速，平均加速度约为3 940 m/s2。
阀头侧向力的产生主要是由于方案中直接力装置进气位置的不对称导致的。在进气口侧燃气速度与喉部燃气流出方向相同，阀头表面燃气流速较大，压力较低，而背侧燃气需先经滞止后再反向流出，阀头表面燃气流速较小，压力较高，二者的综合作用使得阀头上存在一个方向与进气方向相反的侧向力。该侧向力的存在对于阀头运动来说具有较大危害，严重时可导致阀头运动卡死，因此需对阀头侧向力的大小进行关注。本直接力装置方案中阀头打开过程的阀头侧向力时间曲线如图7所示。
由图2可知，打开过程中阀头侧向力方向始终沿着x轴负向，与燃气流入方向相反。由图7可以看出，侧向力大小先呈震荡并缓慢增加的趋势，后增加趋势有所增大，在阀头达到最大开度时达到最大值，并趋于稳定。整个过程中最大阀头侧向力约为387.6 N，最小值为98.5 N。
2.2对称面流场云图
对称面流场云图见图8，可以看出，随着阀头行程的增加，进气口侧燃气压力下降较快，而背侧燃气压力下降不明显。同时，阀头扩散段内压力呈逐步升高的趋势，且在阀头顶部存在较为明显的激波现象。另外阀头底腔与排气管路内压力也略有增加，主要是由于阀头开度的增加使得阀头平衡孔进气口侧的压力上升导致的。
对称面马赫数云图见图9，可以看出，随着阀头行程的增加，阀头顶腔和阀头底腔内马赫数均较低，进气口侧马赫数要略高于背进气口侧。在喉部位置，小行程时对称面两侧音速线沿阀头轴线具有较好的对称性，随着阀头行程的增加这种对称性逐渐变差，且音速线逐步由直线演变为曲线，整个喉部音速面呈现为复杂的三维曲面结构。
阀头行程较小时，对称面扩散段最高马赫数为3.5。随着阀头行程的增加，扩张比相应减小，对称面扩散段最高马赫数下降，到阀头完全打开时，对称面扩散段最高马赫数为2.8左右。整个过程中排气管路内马赫数变化不大。同一时刻排气管路内马赫数沿燃气流动逐步增加，出口处达到音速。
3阀头关闭过程
在阀头完全打开后的稳态流场基础上进行插值，作为阀头关闭过程仿真计算的初始流场，在此基础上对阀头关闭过程进行仿真计算。
3.1阀头运动规律曲线
阀头行程如图10所示，可以看出，阀头直到0.38 ms才开始运动，从5.2 mm行程运动到1.2mm行程的关闭过程持续约2.5 ms。
阀头关闭过程可分为阀头底腔充气过程和阀头运动过程两部分，分别对应阀头轴向力曲线的负向段和正向段。在负轴向力段内阀头处于静止状态，此时燃气通过阀头平衡孔对阀头底腔进行充气，使得阀头底腔压力上升，随着充气的进行，阀头轴向力线性减小，如图11所示，在0.38 ms时阀头上下表面压力平衡，阀头轴向力转变为正向，阀头开始关闭运动，此后阀头底腔的压力受到阀头平衡孔充气速率和阀头运动的速度共同影响，并且随着阀头运动速度的增加，阀头轴向力增加趋势逐渐趋缓。到1.0 ms时阀头底腔的充气速度、阀头运动速度以及阀头上表面流场的变化情况达到动态平衡，阀头轴向力趋于稳定。到1.5 ms时由于阀头行程较小，阀头扩散段表面压强下降明显，导致阀头正向受力又开始缓慢上升。
阀头速度如图12所示，可以看出，阀头冲击喉部接触处的最大速度大于5.18 m/s。阀头运动明显分为静止段、变加速段和匀加速段，加速段的平均加速度约为3 050 m/s2。
由图3可知，关闭过程中阀头侧向力方向始终沿着X轴负向，与燃气流入方向相反。在1.2 ms之前，阀头侧向力大小维持在270 N左右，较为稳定。之后阀头侧向力经缓慢减小段后出现线性减小，最小值约为55 N，如图13所示。对比图7可以看出，阀头关闭过程中侧向力比阀头打开过程中侧向力略有减小。
3.2对称面流场云图
阀头对称面压力云图如图14所示，可以看出，与阀头打开过程相反，随着阀头行程的减小，进气口侧燃气压力上升较快，而背进气口侧燃气压力上升不明显。这一过程中阀头扩散段压力呈逐步降低的趋势。另外，阀头底腔内压力也略有减小，主要是由于阀头行程的减小使得阀头平衡孔进气口侧的压力下降导致的。
阀头对称面马赫数云图如图15所示，可以看出，随着阀头开度的减小，阀头顶腔以及阀头底腔内的马赫数均较低，且在整个阀头关闭过程中变化不大。在喉部位置处，与阀头打开过程相反，随着阀头的关闭，对称面两侧音速线沿阀头轴线对称性逐渐增强，并逐渐由曲线演变为直线。在扩散段处，阀头完全打开时最高马赫数为2.8左右，当阀头关闭到小开度时，最高马赫数又上升到3.5的水平。
4結论
阀头从1.2 mm行程到5.2 mm行程的打开过程用时约1.4 ms。阀头冲击底座的最大速度约为5.68 m/s，阀头速度接近线性匀加速，平均加速度约为3 940 m/s2。打开过程中阀头轴向力最大值为1 545.3 N，最小值为1 276.7 N。阀头侧向力最大值为387.6 N，最小值为98.5 N。
阀头从5.2 mm行程运动到1.2 mm行程的关闭过程持续约2.2 ms，可分为阀头底腔充气过程和阀头运动过程两部分，阀头底腔充气过程用时0.38 ms，阀头运动过程用时1.82 ms，阀头冲击喉部接触处的最大速度大于5.18 m/s。阀头运动明显分为静止段、变加速段和匀加速段，加速段的平均加速度约为3 050 m/s2。
