 
		
 
					兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (4): 1158-1170.doi: 10.12382/bgxb.2022.0014
收稿日期:2022-01-05
									
				
									
				
									
				
				
											上线日期:2023-04-28
									
			通讯作者:
					
        
               		ZHANG  Manman1, JIANG  Yi1,*( ), SHI  Shaoyan2, DENG  Yueguang1
), SHI  Shaoyan2, DENG  Yueguang1
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2022-01-05
									
				
									
				
									
				
				
											Online:2023-04-28
									
			摘要:
采用喷水系统改善导弹地下空间热发射过程的流场,以达到削减压力脉冲峰值、缓解压强振荡和降低流场温度的目的,即减压、降温。结合三维黏性可压缩Navier-Stokes方程、Mixture多相流模型和相变模型,建立气-液两相流控制方程组,并用燃气射流缩比试验数据验证数学模型和数值方法的有效性,采用计算流体力学数值计算方法分析喷水系统对导弹地下空间发射过程流场环境的影响。研究结果表明:在W形地下空间底部建立喷水系统,可以很好地改善导弹地下热发射过程空间内流场环境特性;喷水系统对初始超压现象有很好地抑制效果,弹底压强振荡由8次减少到4次,压强没有产生剧烈振荡,在1atm上下缓慢变化,最大压强仅为1.20×105Pa左右,大大削减了初始超压峰值,并降低了压强振荡的频率和幅值,实现了减压效果;通过液态水剧烈汽化、动量交换等过程,喷水系统强烈而有效地抑制了燃气反溅现象,燃气被约束在筒底位置,导弹底部的最高温度从3000K降低到了400K左右,实现了降温效果。
张曼曼, 姜毅, 史少岩, 邓月光. 喷水系统对W形地下空间热发射流场的影响[J]. 兵工学报, 2023, 44(4): 1158-1170.
ZHANG Manman, JIANG Yi, SHI Shaoyan, DENG Yueguang. Influence on Flow Field of Hot Launch in a W-Shaped Underground Space by Water Injection[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(4): 1158-1170.
| 参数 | 网格数量/万 | |||
|---|---|---|---|---|
| 95 | 139 | 260 | 640 | |
| 最小网格尺寸/mm | 5.0 | 2.5 | 1.7 | 1.2 | 
| 计算工时/h | 60 | 96 | 144 | 240 | 
表1 不同网格数量的基本参数
Table 1 Basic parameters of different grid numbers
| 参数 | 网格数量/万 | |||
|---|---|---|---|---|
| 95 | 139 | 260 | 640 | |
| 最小网格尺寸/mm | 5.0 | 2.5 | 1.7 | 1.2 | 
| 计算工时/h | 60 | 96 | 144 | 240 | 
| 序号 | 监测点名称 | 坐标值/m | 位置 | 
|---|---|---|---|
| 1 | missile-bottom | (0,0,0.12) | 导弹底部的中心点 | 
| 2 | point-iop | (0,0,-0.16) | 承重层与导流锥顶端 连线的中点 | 
表2 监测点信息
Table 2 Monitoring point information
| 序号 | 监测点名称 | 坐标值/m | 位置 | 
|---|---|---|---|
| 1 | missile-bottom | (0,0,0.12) | 导弹底部的中心点 | 
| 2 | point-iop | (0,0,-0.16) | 承重层与导流锥顶端 连线的中点 | 
| 工况 | 压强峰序号 | 时间/ms | 压强峰值/105Pa | 
|---|---|---|---|
| 1 | 0.240 | 2.695 | |
| 无喷水 | 2 | 0.818 | 3.677 | 
| 3 | 1.488 | 2.358 | |
| 1 | 0.280 | 1.998 | |
| 有喷水 | 2 | 0.830 | 2.390 | 
| 3 | 1.550 | 1.240 | 
表3 监测点missile-bottom前3个压力峰值的比较
Table 3 Comparison of the first three pressure peaks of the monitoring point missile-bottom
| 工况 | 压强峰序号 | 时间/ms | 压强峰值/105Pa | 
|---|---|---|---|
| 1 | 0.240 | 2.695 | |
| 无喷水 | 2 | 0.818 | 3.677 | 
| 3 | 1.488 | 2.358 | |
| 1 | 0.280 | 1.998 | |
| 有喷水 | 2 | 0.830 | 2.390 | 
| 3 | 1.550 | 1.240 | 
| 监测点名称 | 角度/(°) | 高度/m | 位置 | 
|---|---|---|---|
| missile-90-1 | 90 | 0.3 | 导弹侧面的底部 | 
表4 增设的监测点信息
Table 4 Additional monitoring point information
| 监测点名称 | 角度/(°) | 高度/m | 位置 | 
|---|---|---|---|
| missile-90-1 | 90 | 0.3 | 导弹侧面的底部 | 
 
																													图16 流场内的温度分布变化(图中黑色的等值线为汽化速率0.01,单位为kg/(m3·s))
Fig.16 Temperature distribution in the flow field (The black contour refers to the vaporization reaction rate of 0.01kg/(m3·s))
| 典型 时刻/ms | 液态水汽化速率/(kg·m-3·s-1) | 最高位置 z值/mm | |
|---|---|---|---|
| 最大值 | 最小值 | ||
| 0.2 | 0.097×10-8 | -2.768×10-8 | 81.6 | 
| 0.8 | 0.358×10-7 | -2.302×10-7 | 75.6 | 
| 2.0 | 0.649×10-7 | -2.735×10-7 | 63.6 | 
| 5.3 | 1.883×10-7 | -5.200×10-7 | -8.8 | 
| 19.0 | 1.758×10-6 | -3.006×10-6 | 65.0 | 
| 40.0 | 1.516×10-7 | -6.310×10-7 | |
表5 典型时刻液态水汽化反应速率及射流中间区域发生汽化速率的最高位置z值
Table 5 Liquid water vaporization reaction rate at typical moments and the highest position z value where the vaporization reaction rate occurs in the middle area of the jet
| 典型 时刻/ms | 液态水汽化速率/(kg·m-3·s-1) | 最高位置 z值/mm | |
|---|---|---|---|
| 最大值 | 最小值 | ||
| 0.2 | 0.097×10-8 | -2.768×10-8 | 81.6 | 
| 0.8 | 0.358×10-7 | -2.302×10-7 | 75.6 | 
| 2.0 | 0.649×10-7 | -2.735×10-7 | 63.6 | 
| 5.3 | 1.883×10-7 | -5.200×10-7 | -8.8 | 
| 19.0 | 1.758×10-6 | -3.006×10-6 | 65.0 | 
| 40.0 | 1.516×10-7 | -6.310×10-7 | |
| [1] | doi: 10.2968/065001008 URL | 
| [2] |  | 
| [3] | 神秘的美国导弹发射井[EB/OL].(2015-05-16) [2020-03-18].https://bbs.tiexue.net/post_877-7935_1.html  | 
| The mysterious American missile silo[EB/OL]. (2015-05-16) [2020-03-18].https://bbs.tiexue.net/post_877-7935_1.html in Chinese) | |
| [4] | 美国洲际弹道导弹发射阵地坐标全部公开[EB/OL]. (2017-09-27) [2020-03-18].http://m.kd-net.net/share-12432513.html  | 
| The coordinates of the U.S. intercontinental ballistic missile launch position in public[EB/OL]. (2017-09-27) [2020-03-18]. http://m.kd-net.net/share-12432513.html in Chinese) | |
| [5] | 罗山爱. 雪原下的“核秘密”日本记者探秘美国“民兵”3洲际导弹基地[J]. 坦克装甲车辆, 2021(16):4-29. | 
|  | |
| [6] | doi: 10.1080/00963402.2018.1462912 URL | 
| [7] |  | 
| [8] |  | 
| [9] | 张筱, 刘宝龙, 郑夏, 等. 导弹井下冷弹射动力学仿真研究[J]. 导弹与航天运载技术, 2018(4):81-86. | 
|  | |
| [10] | 高宇, 周仕明, 李道奎. 风载荷作用下井基导弹冷发射动力学仿真[J]. 兵器装备工程学报, 2021, 42(3):28-34. | 
|  | |
| [11] | 姜毅, 史少岩, 牛钰森, 等. 发射气体动力学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2015:389-394, 395-411. | 
|  | |
| [12] | 科普融合创作与传播. 长七发射瞬间, 400吨水喷下?[EB/OL]. (2017-12-18). http://www.kepuchina.cn/yc/201712/t20171218340075.shtml  | 
| Science fusion creation and dissemination. the moment of Changqi’s launch, 400 tons of water sprayed?[EB/OL]. (2017-12-18). http://www.kepuchina.cn/yc/201712/t20171218340075.shtml in Chinese) | |
| [13] |  | 
| [14] |  | 
| [15] |  | 
| [16] | doi: 10.2514/3.29079 URL | 
| [17] |  | 
| [18] |  | 
| [19] | doi: 10.2514/3.61933 URL | 
| [20] |  | 
| [21] |  | 
| [22] | 王飞, 杨树兴, 徐勇. W型地下井发射环境数值模拟与分析[J]. 固体火箭技术, 2007, 30(6):466-469. | 
|  | |
| [23] | 周笑飞. 井下发射过程燃气射流流场研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2015. | 
|  | |
| [24] | 谢政, 谢建, 常正阳, 等. 火箭发射燃气流二次燃烧数值研究[J]. 宇航学报, 2017, 38(5): 542-549. | 
|  | |
| [25] | 李良, 冯永保, 马长林, 等. 井下火箭发射燃气对消音层冲蚀损伤模型及特性[J]. 兵工学报, 2021, 42(4):798-807. | 
| doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.013 | |
| [26] |  | 
| [27] | ANSYS fluent theory guide[Z]. Canonsburg PA, US: ANSYS, Inc., 2016:2-3, 47-50, 137-138, 189-200. | 
| [28] | doi: 10.1016/S1000-9361(09)60267-3 URL | 
| [29] | doi: 10.3390/en81112363 URL | 
| [30] |  | 
| [31] | 姜毅, 周帆, 张学文. 超声速高温冲击射流注水流场实验研究[J]. 实验流体力学, 2011, 25(4):32-36. | 
|  | |
| [32] | doi: 10.3390/en81112363 URL | 
| [33] | 马溢清, 于邵祯. 发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究[J]. 宇航学报, 2016, 37(5):586-599. | 
|  | |
| [34] |  | 
| [1] | 刘如石, 郭则庆, 张辉. 尾部形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 2984-2994. | 
| [2] | 杨莹, 姜毅, 李玉龙, 牛钰森, 贾启明. 基于二氧化碳喷射的导弹热发射新型排导方案设计[J]. 兵工学报, 2022, 43(10): 2609-2620. | 
| [3] | 黄孝龙, 李宁, 康杨, 翁春生. 气-液两相多循环爆轰声场特性[J]. 兵工学报, 2022, 43(10): 2621-2630. | 
| [4] | 胡雨博, 余永刚. 充液圆管周向多股壁面燃气射流排水特性[J]. 兵工学报, 2020, 41(12): 2417-2423. | 
| [5] | 卢佳兴, 王聪, 魏英杰, 许昊, 宋武超. 回转体齐射出水过程空泡演化规律与弹道特性实验研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(6): 1226-1234. | 
| [6] | 王利利, 刘影, 李达钦, 吴钦, 王国玉. 固体火箭发动机水下超音速射流数值研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(6): 1161-1170. | 
| [7] | 冯博声, 薛晓春. 边界形状对4股燃气射流扩展稳定性影响的数值模拟[J]. 兵工学报, 2018, 39(9): 1692-1700. | 
| [8] | 段苏宸, 姜毅, 牛钰森, 张奥林. 发射箱易碎后盖开启过程的数值计算[J]. 兵工学报, 2018, 39(6): 1117-1124. | 
| [9] | 张春, 郁伟, 王宝寿. 水下超声速燃气射流的初期流场特性研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(5): 961-968. | 
| [10] | 张欣尉, 余永刚, 莽珊珊. 装药参数对水下机枪密封式膛口流场影响的数值分析[J]. 兵工学报, 2018, 39(1): 18-27. | 
| [11] | 孙钊, 曹伟, 王聪, 路中磊. 半疏水-半亲水球体垂直入水空泡数值仿真研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(5): 968-977. | 
| [12] | 郭则庆, 乔海涛, 姜孝海. 内埋式航炮膛口流场特性数值模拟研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(12): 2373-2378. | 
| [13] | 王书满, 马溢清, 于邵祯. 固体火箭发动机尾焰注水流场对导流槽排导性能影响研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(1): 97-105. | 
| [14] | 周良梁, 余永刚, 刘东尧, 莽珊珊. 水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用特性研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(8): 1373-1378. | 
| [15] | 赵嘉俊, 余永刚. 柱形充液室内多股燃气射流流场的气体与液体两相流场演化特性[J]. 兵工学报, 2016, 37(10): 1852-1859. | 
| 阅读次数 | ||||||
| 全文 |  | |||||
| 摘要 |  | |||||
 京公网安备11010802024360号    京ICP备05059581号-4
 京公网安备11010802024360号    京ICP备05059581号-4