一种垂直发射航行体水中点火燃气后效估计方法技术

本发明专利技术首先构建垂直发射航行体水中点火数值仿真模型，然后利用航行体水下点火压力和姿态数据对数值仿真模型校验和完善，在此基础上，研究航行体水中点火过程中尾部流场变化情况，分析不同点火深度点火发动机射流流场对发射平台壁面、发射筒的影响，同时对不同点火对航行体水下发射能力的影响进行估计。

A method for estimating aftereffect of underwater ignition gas for vertical launch vehicle

【技术实现步骤摘要】
一种垂直发射航行体水中点火燃气后效估计方法
本专利技术属于垂直发射航行体水中点火燃气后效的预测方法，尤其涉及燃气后效中的压力、温度对水中航行体、发射筒及发射平台影响的估计方法。
技术介绍
对于采用水中点火的垂直发射航行体而言，通过及时对航行体的水中弹道和姿态进行控制，可提高航行体在水中运动的稳定性，并有助于获得有利的出水姿态，从而增强航行体出水后的姿态控制能力。通常，水下发射航行体在其尾部离开发射筒口一定距离处点火进行发射。如果航行体尾部与发射筒口距离较近处点火，则发动机可以利用从发射筒内溢出并附着在航行体尾部的燃气泡，作为发动机喷流建立初期燃气的受纳空间，减轻发动机直接在水中点火所造成的冲击，提高发动机工作安全性，但是由于水下点火处距离发射平台较近，发动机高速喷流会对筒盖及周围发射平台结构产生破坏，影响后续发射。如果航行体远离发射筒口处(简称筒口)点火，附着在航行体尾部的燃气泡体积变小，同时燃气泡内渗人水，发动机若直接在此环境中点火，由于水的巨大惯性，则发动机喷流会受到水的阻碍，导致喷管内压强过高，从而威胁发动机工作安全性。显然，在决定采用水中点火方案时，必须明确水中点火对航行体载荷的影响，并充分估计水中点火对发射筒及发射平台所造成的威胁。本专利技术中，燃气后效由垂直发射航行体水下点火后产生的压力和温度参数来表征。流场参数是指航行体周边空间中不同位置点的温度和压力。航行体运动参数是指航行体的速度和位置。
技术实现思路
本专利技术首先构建垂直发射航行体水中点火数值仿真模型，然后利用航行体水下点火压力和姿态数据对数值仿真模型校验和完善，在此基础上，研究航行体水中点火过程中尾部流场变化情况，分析不同点火深度下发动机射流流场对发射平台壁面和发射筒的影响，同时对水中点火燃气后效进行估计。本专利技术的具体步骤为：(一)航行体动力方程及仿真模型构建。建立水下发射过程中的航行体动力模型，通过实时求解航行体受力，通过动力学方程求得加速度和角加速度，然后进行数值积分，获得航行体当前速度、位移及姿态等。航行体受力如图1所示，图1中oxyz为发射坐标系，相对于地球静止，ox1y1z1为航行体坐标系，固联于航行体；v为航行体运动速度；F为航行体所受的浮力；G为自身重力；f为航行体轴向阻力；ox1为航行体轴向，ox1与v的夹角为α；oy1与v的夹角为T为发动机产生的总推力；φ为发动机喷管为纠正航行体出水姿态而偏转的摆角。航行体在水下发射过程中，首先利用高压燃气将航行体弹射出筒，航行体尾部离开发射筒后，筒内燃气进入外界环境，与周围的水汽混合并附着在尾部形成燃气泡。发动机接收到点火指令后，航行体运动的发射动力主要由两部分组成：弹射力和发动机提供的轴向推力。航行体在水下发射过程中，其航行体动力模型为：其中，式中：t为航行体运动时间，F′为发射筒高压燃气弹射力，T′为发动机点火后航行体受到的轴向推力，m为航行体质量，s为航行体的迎流面积，C为阻力系数，ρ为海水密度，λ为附加质量；α和值利用航行体加速度计测量的各个方向的加速度值进行解算求取。式(1)中的航行体运动参数值为后续计算燃气后效参数提供动态输入。本专利技术利用计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)模型，在CFD模型中引入经验参数，基于已有的实验数据对CFD模型参数进行合理调整，形成合理的计算模型。(二)对计算域进行网格划分并进行CFD求解。将式(1)和式(2)所示的航行体动力模型输入到CFD求解器中，利用CFD求解器对航行体水下运动参数进行求解。在得到航行体运动参数后对网格节点参数进行更新，进而对航行体能量方程及控制方程进行数值离散求解，最终得出航行体近体流场压力及温度分布参数。由于模型的对称性，计算域模型采取二维轴对称模型。在建模时不考虑航行体尾部产生的空化现象，且由于研究的是尾部流场变化，头部对仿真流场的影响较小，因此将计算模型简化为尾部只有喷管扩张段的无限长圆柱体，综上所述，计算模型采用尾部只有喷管扩张段的无限长二维轴对称圆柱体。CFD计算模型具体采用二维轴对称的无限长圆柱体模型。CFD求解器计算域如图2所示。网格划分的原则是，全部流场区域采用结构化网格。该方式能够消除计算结果对网格的依赖性。在划分喷管时，在轴向方向、喷管及尾部附近处的网格大小接近一致。外场划分梯度网格，靠近航行体位置网格细密，远场较为稀疏。按照以上要求划分网格，得到航行体尾部局部网格如图3所示。(三)利用CFD方法求解燃气后效参数。本专利技术采用Mixture多相流模型对流场进行求解，其控制方程基本形式如下：其中，为按质量平均的速度：式中，ρm为混合物密度：式中，αk为第k相的体积分数。利用Mixture多相流模型进行求解时，分别设置了主相(Primaryphase)和副相(Secondaryphase)，所有相体积分数之和为1，副相可为多个，对于副相p的体积分数求解方法为：其中，和为第q和p相之间的质量转化率，为第p相的迁移速度，其表达式为：动量方程是牛顿第二定律在流体动力学中的体现。对于Mixture多相流模型的动量方程，可通过将所有相各自的动量方程相加的方法获得，其表示式为：式中，n为相的序号，为体积力，μm为混合物相的粘性，其表达式为：为副相k的迁移速度，表达式为：能量方程是能量守恒定律在流体动力学中的体现，Mixture多相流模型中混合物的能量方程为：式中，keff为有效传导系数，表达式为：其中，kt为湍动热传导系数，kk为第k相的湍动能，其取值取决于所选择的湍流模型。式(13)右端项中第一项代表了传导引起的能量迁移，SE为其余的体积热源项。对于可压缩流动，Ek的表达式为：对于不可压缩流动，表达式为：Ek＝hk(16)其中，hk为第k相的焓。上述偏微分方程组，包括式(3)至式(16)，通过网格节点在计算域流场内进行离散化求解，具体步骤如下：(1)在计算过程的每个时间步，利用CFD方法联合求解Mixture模型控制方程、动量方程、能量方程和航行体动力模型，获得流场和航行体运动参数，通过更新网格将二者进行耦合，计算完毕后转入下一时间步；(2)当第一步得到的速度在局部不满足连续方程时，从连续性方程和线化动量方程推导出压力校正的泊松方程，然后解出压力校正方程，获取压力和速度场；(3)用上一个时间步长更新的、除了压力速度和温度外的其它变量值，解出湍流、能量和辐射等标量；(4)当存在相间耦合时，用离散相轨迹计算来更新连续相的源项；(5)根据计算的残差曲线检查设定方程的收敛性，当所有变量的残差值都降到10-3时，就认为计算收敛，即完成了对压力和温度的离散求解。表1给出了一组计算初始参数设置。表1主要参数设置在水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直发射航行体水中点火燃气后效估计方法，其步骤包括：/n首先建立航行体在水下发射过程中的航行体动力模型，/n

【技术特征摘要】
1.一种垂直发射航行体水中点火燃气后效估计方法，其步骤包括：
首先建立航行体在水下发射过程中的航行体动力模型，



其中，
式中，t为航行体运动时间，F′为发射筒高压燃气弹射力，T′为发动机点火后航行体受到的轴向推力，m为航行体质量，s为航行体的迎流面积，C为阻力系数，ρ为海水密度，λ为附加质量；α和θ值利用航行体加速度计测量的各个方向的加速度值进行解算求取；
将航行体动力模型输入到CFD求解器中，利用CFD求解器对航行体水下运动参数进行求解；在得到航行体运动参数后对网格节点参数进行更新，进而对航行体能量方程及控制方程进行数值离散求解，最终得出航行体近体流场压力及温度分布参数；
采用Mixture模多相流型对流场进行求解，其控制方程基本形式为：



其中，为按质量平均的速度：式中，ρm为混合物密度：式中，αk为第k相的体积分数；利用Mixture多相流模型进行求解时，分别设置了主相和副相，所有相体积分数之和为1，副相为多个，对于副相p的体积分数求解方法为：



其中，和为第q和p相之间的质量转化率，为第p相的迁移速度，其表达式为：对于Mixture多相流模型的动量方程，通过将所有相各自的动量方程相加的方法获得：



式中，n为相的序号，为体积力，μm为混合物相的粘性，其表达式为：为副相k的迁移速度，表达式为：Mixture多相流模型中混合物的能量方程为：



式中，keff为有效传导系数，表达式为：其中，kt为湍动热传导系数，kk为第k相的湍动能，其取值取决于所选择的湍流模型；代表了传导引起的能量迁移，SE为其余的体积热源项；对于可压缩流动，Ek的表达式为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智生，刘可，阎肖鹏，冯旭东，陈昭男，张丹，孙杰，李懿佳，李怡萱，
申请(专利权)人：中国人民解放军九一五五零部队，
类型：发明
国别省市：辽宁;21