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随着防空武器的迅猛发展,用于检测其性能的靶机也取得了长足的发展,发动机作为靶机的核心部分,承担着靶机满足不同检测需求的重担,同时也是靶机成本的一大支出。为了降低靶机成本,同时提高靶机发动机的推重比,提高靶机性能,建立了基于固体火箭引射式发动机(以下简称发动机)模型,发动机结构主要包括固体火箭和再燃室。相较于靶机传统动力装置,包括螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机以及火箭发动机,发动机具有结构轻巧,推重比大以及生产成本低的优点。
根据固体火箭和再燃室的位置不同,两者之间的布局可分为固体火箭内置式和固体火箭外置式,为了不断优化发动机的布局结构和尺寸,提高发动机性能,利用CFD技术,采用标准的k-ε两方程的湍流模型,涡耗散(EDM)燃烧模型,对不同工作状态下的发动机构型进行了数值模拟,分析了发动机的相关性能。
对发动机静态工作模式,采用定量加热的方法研究了引射口面积相同的条件下,再燃室的布局形式、再燃室的加热量、引射口尺寸对发动机性能的影响,得到如下结论:
(1)在相同的引射入口面积的条件下,随着加热量的增加,内、外置式发动机引射效率都降低,内置式布局发动机推力基本不变,外置式布局发动机推力逐渐增大,具有较高的推力及推力增益;由此可知,外置式发动机具有更好的推力性能。
(2)为了进一步优化外置式布局发动机,分别计算了引射口尺寸L与固体火箭出口直径D之比(L/D)为1/6、2/6、3/6、4/6、5/6、6/6六种工况,结果表明:随着L/D从1/6增加到6/6,引射效率、推力及推力增益呈现先增加后减小的趋势,在L/D为4/6时,发动机引射效率和推力达到最大,此时发动机性能最优。
对发动机在飞行马赫为0.6时的工作模式,再燃室内采用化学反应替代定量加热,空气入口设置为压力远场,同时燃料煤油以液滴的形式加入,其运动以拉格朗日颗粒轨道模型描述,同时煤油喷入速度为80m/s,煤油注入量为0.2Kg/s,煤油液滴直径为0.01mm,煤油与空气采用单步反应,分别研究了发动机不同布局形式、煤油喷注口位置以及煤油喷注角度发动机性能的影响,得出如下结论:
(1)在相同工作条件下:(a)外置式布局发动机引射效率为负值,未能实现引射性能;内置扩张型发动机引射效率最大,具有良好的引射性能;(b)内置收缩型发动机结构推力及推力增益远大其他发动机结构,具有良好的推力性能;外置式布局发动机结构未能实现正推力增益;(c)内置扩张型发动机结构燃烧效率大于其他发动机结构,具有良好的燃烧性能。
(2)在所对比的4种工况中,当喷嘴位置为(75,34)时,发动机引射效率最大,引射性能最优,但是其推力及推力增益以及燃烧效率较小,喷嘴位置为时(85,30)和(90,28)时,发动机燃烧效率最大,燃烧性能最优,其推力性能较差;当喷嘴位置为(80,32)时,发动机燃烧效率及引射性能较好,其综合性能良好,因而,发动机推力及推力增益最大。
(3)在所对比的4种工况以及补充工况中,当煤油喷注角度在-90°~-135°时,再燃室内无法实现煤油的稳定燃烧;在煤油喷入速度不变的情况下,当煤油喷注角度α=-90时,发动机引射效率最大,引射性能最优,但是未能实现煤油稳定燃烧;当煤油喷注角度α=-180时,发动机推力及推力增益和燃烧效率最大,推力性能和燃烧性能最优。
根据固体火箭和再燃室的位置不同,两者之间的布局可分为固体火箭内置式和固体火箭外置式,为了不断优化发动机的布局结构和尺寸,提高发动机性能,利用CFD技术,采用标准的k-ε两方程的湍流模型,涡耗散(EDM)燃烧模型,对不同工作状态下的发动机构型进行了数值模拟,分析了发动机的相关性能。
对发动机静态工作模式,采用定量加热的方法研究了引射口面积相同的条件下,再燃室的布局形式、再燃室的加热量、引射口尺寸对发动机性能的影响,得到如下结论:
(1)在相同的引射入口面积的条件下,随着加热量的增加,内、外置式发动机引射效率都降低,内置式布局发动机推力基本不变,外置式布局发动机推力逐渐增大,具有较高的推力及推力增益;由此可知,外置式发动机具有更好的推力性能。
(2)为了进一步优化外置式布局发动机,分别计算了引射口尺寸L与固体火箭出口直径D之比(L/D)为1/6、2/6、3/6、4/6、5/6、6/6六种工况,结果表明:随着L/D从1/6增加到6/6,引射效率、推力及推力增益呈现先增加后减小的趋势,在L/D为4/6时,发动机引射效率和推力达到最大,此时发动机性能最优。
对发动机在飞行马赫为0.6时的工作模式,再燃室内采用化学反应替代定量加热,空气入口设置为压力远场,同时燃料煤油以液滴的形式加入,其运动以拉格朗日颗粒轨道模型描述,同时煤油喷入速度为80m/s,煤油注入量为0.2Kg/s,煤油液滴直径为0.01mm,煤油与空气采用单步反应,分别研究了发动机不同布局形式、煤油喷注口位置以及煤油喷注角度发动机性能的影响,得出如下结论:
(1)在相同工作条件下:(a)外置式布局发动机引射效率为负值,未能实现引射性能;内置扩张型发动机引射效率最大,具有良好的引射性能;(b)内置收缩型发动机结构推力及推力增益远大其他发动机结构,具有良好的推力性能;外置式布局发动机结构未能实现正推力增益;(c)内置扩张型发动机结构燃烧效率大于其他发动机结构,具有良好的燃烧性能。
(2)在所对比的4种工况中,当喷嘴位置为(75,34)时,发动机引射效率最大,引射性能最优,但是其推力及推力增益以及燃烧效率较小,喷嘴位置为时(85,30)和(90,28)时,发动机燃烧效率最大,燃烧性能最优,其推力性能较差;当喷嘴位置为(80,32)时,发动机燃烧效率及引射性能较好,其综合性能良好,因而,发动机推力及推力增益最大。
(3)在所对比的4种工况以及补充工况中,当煤油喷注角度在-90°~-135°时,再燃室内无法实现煤油的稳定燃烧;在煤油喷入速度不变的情况下,当煤油喷注角度α=-90时,发动机引射效率最大,引射性能最优,但是未能实现煤油稳定燃烧;当煤油喷注角度α=-180时,发动机推力及推力增益和燃烧效率最大,推力性能和燃烧性能最优。