固體發動機水下點火尾流變化過程試驗研究

賈有軍，張勝敏，尤俊峰，白彥軍

(中國航天科技集團公司四院四十一所，西安 710025)

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固體發動機水下點火尾流變化過程試驗研究

賈有軍，張勝敏，尤俊峰，白彥軍

(中國航天科技集團公司四院四十一所，西安 710025)

采用高速攝像機對發動機水下點火工作的尾流生長變化過程進行了記錄，獲得了尾流形態及其演化過程，分析了水環境對發動機尾流結構變化的影響。試驗結果表明，發動機水下點火瞬態特性與空氣中有很大的不同，水下尾流前進速度相比在空氣中顯著降低，同時軸向阻滯作用導致尾流向徑向擴展；尾流可分為氣泡區、摻混區和混合區；尾流一直發生小幅震蕩，間歇發生大幅震蕩，小幅震蕩和大幅震蕩是發動機水下工作的基本屬性。

固體火箭發動機；水下點火；尾流場；試驗研究

0 引言

近年來，先進突防與攔截技術的發展對于固體火箭發動機水下點火工作提出了越來越多的應用需求。固體火箭發動機水下點火初期，射流將在噴管出口附近形成一個不斷增長的燃氣泡，燃氣泡的形成與運動規律對導彈水動力特性有很大影響，進而影響到導彈在水中的彈道和出水姿態[1]。同時，尾流的振動特性會對水下航行器或導彈的電子設備及連接結構可靠性帶來較大影響。

由于實驗成本和實驗條件的限制，以固體燃氣發生器開展接近真實水下發射環境的實驗研究很少，大多以高壓空氣或氮氣等水下冷氣射流實驗研究為主[2-3]，該類實驗無法模擬高溫燃氣與水介質之間的相變現象及真實燃氣泡的生長變化過程。國內已有一些文獻采用多項假設，利用數值方法研究了燃氣泡的生成及其變化規律，但由于實際過程的復雜性，相關計算結果與實際情況差異較大[4-7]，研究結果僅具有定性意義。因此，在接近真實狀態水下發射實驗環境，采用真實固體火箭發動機研究水下點火尾流變化過程，對于了解固體火箭發動機水下點火工作基本規律具有重要意義。

本文利用搭建的水下點火試車試驗系統，采用高速攝像機對試驗發動機尾流的形貌及其變化過程進行了記錄和分析，獲得了發動機水下工作過程中尾流場演化的直接認識，掌握了不同于空氣中尾流場的水下尾流場基本特性，為后續深入研究及工程應用提供了有效參考。

1 試驗裝置

水下點火試驗系統由試驗環境模擬容器、試驗發動機、高速攝像機和數據采集及測量系統等部分組成，如圖1所示。

圖1 水下點火試驗系統布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater ignition test system

試驗環境模擬容器直徑為2 m，長約8 m，艙內空間分為試車艙和壓力平衡艙。試車艙長約5 m，內部布置發動機試車臺，試車時安裝發動機并注水；壓力平衡艙長約3 m，用于容器加壓，模擬不同水深壓力，同時作為發動機排放氣體貯存與緩沖容器，防止排放的燃氣導致艙內水壓快速上升。

水下點火試驗的步驟是將發動機安裝于艙內試車臺上，連接傳感器；對試車艙注水，當水超過觀察窗一定高度時停止注水；對壓力平衡艙加壓，使艙內水壓達到設計深度時的靜水壓力；開始試車，測量數據；試車完成后排氣、放水。

為了研究固體發動機水下點火工作過程中的尾流發展，在2個透明窗體外，布置了2架拍攝速度達1 000楨/s的高速攝像機，可獲得發動機從點火到熄火的整個水下點火尾流場的詳細發展過程。

為避免水面邊緣效應對試驗結果產生較大影響，試驗中嚴格控制了發動機規模。本次試驗中，噴管出口中心線距自由液面距離達25倍噴管出口直徑以上，水面邊緣效應對試驗結果影響很小。

2 試驗結果及分析

從攝像中可清楚地觀察到發動機水下工作點火瞬態、氣泡的形成、收縮、膨脹、斷裂，以及燃氣與水的劇烈摻混，兩相界面間的水汽化現象等。通過對高速攝像的分析，可獲得對發動機水下點火尾流場的直觀認識。本文選取模擬水深10 m的水下點火熱試車進行分析。

2.1 點火瞬態尾流分析

圖2為試驗發動機水下點火瞬態尾流場照片，從中可觀察到噴管堵蓋打開到燃燒室壓強建立的整個點火瞬態過程。

由圖2可見，在射流初期(0～4 ms)，燃氣流排出噴管后，由于受到周圍水介質的阻滯作用，向四周翻卷形成回流，該回流使得燃氣流首先從噴管出口邊緣開始突破，向外翻卷生長，徑向生長速度高于軸向生長速度，尾流呈現軸向內凹形狀(4 ms)。隨著尾流繼續生長，并將噴管出口包裹在內，尾流場內可明顯看出燃氣回流形成的渦。6 ms時尾流直徑達到噴管出口外徑約3倍，尾流沿徑向生長放緩，以柱狀形式向下游擴展，在擴展的過程中，燃氣流與水介質不斷進行強烈的氣液摻混。由于尾流在沿下游不斷生長的過程中，一直受到水介質的壓縮作用，射流通道變窄，21 ms時尾流在距噴管出口約140 mm處發生了強烈的“頸縮”現象；同時，臨近“頸縮”部位尾流發生徑向膨脹，并與水進行了較強摻混，此次“頸縮”現象導致尾流斷裂(24 ms)。隨后，尾流再度生長擴大，并向下游快速推進，尾流場不同部位不斷發生著“膨脹-收縮-膨脹”的現象(58 ms)；隨著尾流向下游推進，尾流沿直徑方向不斷增大，形成一定角度的錐體；179 ms時尾流場形狀基本確定，但仍處于不斷“膨脹-收縮-膨脹”的震蕩中。

2.2 穩定工作段尾流分析

圖3為尾流基本穩定時的形狀?？煽闯?，尾流明顯分為3個區域：氣泡區、摻混區和混合區。氣泡區內主要為噴管排出的高溫燃氣，氣泡區和周圍水介質存在明顯的界面，在氣液邊界處不斷發生振顫現象，射流通道產生小幅度的膨脹-收縮震蕩過程；混合區主要是氣液混合體，由水和大量氣泡組成，在混合區內存在大量渦流，混合區從上游到下游整體呈現錐形形狀；摻混區位于二者之間，高速氣體與水之間的剪切力導致氣水邊界發生劇烈摻混，兩者之間界面模糊，且劇烈摻混會對射流波系結構產生影響，氣泡區末端不停地發生斷裂及破裂現象。

對尾流場照片連續放映，可觀察到整個尾流尤其是氣泡區處于不斷的膨脹-收縮-膨脹-收縮循環過程中，且在氣泡區末端不斷發生斷裂及破裂現象，燃氣與水發生強烈摻混，這種現象可理解為尾流的震蕩特性，這種震蕩的頻率基本上小于10 ms。

除通常的小幅震蕩外，水下試車還發現了數次燃氣泡的大幅收縮-膨脹現象，圖4為燃氣泡的一次大幅震蕩過程照片，整個過程持續時間約40 ms。值得注意的是在燃氣泡大幅震蕩過程中，氣泡區仍在不停地做著小幅的膨脹收縮，或者說是小幅震蕩。本次研究的其他發動機水下試車也發現了相同現象，說明大幅震蕩和小幅震蕩是發動機水下點火工作的基本屬性。

(a)0 s (b)2 ms (c)4 ms

(d)6 ms (e)8 ms (f)10 ms

(g)12 ms (h)21 ms (i)24 ms

(j)45 ms (k)58 ms (l)95 ms

(m)179 ms (n)245 ms (o)275 ms

圖3 尾流場區域分布Fig.3 Regions of wake

圖5為尾流前鋒瞬態流場照片。從圖5可看出，水下尾流的形態與地面試車尾流有很大的不同。由于受到水的阻滯作用，尾流前鋒部位射流動壓轉變為靜壓，而壓力上升使得尾流向徑向擴展，尾流前鋒呈現內凹形狀。最終，由于能量耗竭，此類現象不再持續。同時，氣液邊界處不斷地進行相變轉化，尾流內不斷進行著膨脹-收縮-斷裂的小幅震蕩。

2.3 壓強下降段尾流分析

圖6為壓強下降段尾流場照片。從圖6可看出，

隨著燃燒室壓強的快速下降，由于周圍水介質的壓力及阻滯作用，尾部氣泡區不斷縮小，最后混合區進入噴管，導致發動機熄滅。

(a)446 ms (b)447 ms (c)478 ms

(a)288 ms (b)304 ms (c)324 ms

(d)344 ms (e)374 ms (f)404 ms

(a)2 784 ms (b)2 792 ms (c)2 800 ms

(d)2 896 ms (e)2 913 ms (f)2 946 ms

3 結論

(1)由于水的高密度及不可壓特性，發動機水下點火瞬態特性與空氣中有很大的不同：高密度水介質極大地限制了尾流氣體的擴展，相比在空氣中，其向下游前進速度顯著降低，同時軸向阻滯作用導致尾流向徑向擴展。

(2)工作穩定時的尾流基本分為3個區域：氣泡區、摻混區和混合區。氣泡區內氣液邊界處不斷發生振顫現象，射流通道產生小幅震蕩；摻混區內不斷發生燃氣泡的斷裂及破裂現象；在混合區內存在大量渦流，混合區整體呈現錐形形狀。

(3)水下試車過程中，尾流一直做小幅震蕩，小幅震蕩頻率約為10 ms；同時，間歇發生大幅震蕩現象，大幅震蕩持續時間約為40 ms；小幅震蕩和大幅震蕩都是發動機水下點火工作的固有屬性。

[1] 呂翔，李江，魏祥庚，等. 變深度模擬發射實驗導彈出筒速度測量方法[J]. 固體火箭技術，2011，34(2)：265-268.

[2] 王柏懿，戴振卿，戚隆溪，等. 水下超聲速氣體射流回擊現象的實驗研究[J]. 力學學報，2007，39(2)：267-272.

[3] 姚琰，魯傳敬，朱坤. 水下高速氣體射流的實驗研究[J]. 水動力學研究與進展，2009，24(5)：590-595.

[4] 曹嘉怡，魯傳敬，陳鑫，等. 導彈水下熱發射出筒過程流動特性[J]. 固體火箭技術，34(3): 281-284.

[5] 甘曉松，賈有軍，魯傳敬，等. 水下燃氣射流流場數值模擬[J]. 固體火箭技術，2009, 32(1): 23-26.

[6] 王建儒，趙仕廠. 水下固體火箭發動機尾流場計算[J]. 固體火箭技術，2007, 30(5)：388-391.

[7] 朱衛兵，陳宏. 固體火箭發動機水下燃氣泡計算[J]. 固體火箭技術，2009, 32(5)：486-491.

(編輯：崔賢彬)

Experimental research on the changing process of underwater ignition wake of solid rocket motor

JIA You-jun, ZHANG Sheng-min, YOU Jun-feng, BAI Yan-jun

(The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC, Xi'an 710025,China)

Using high-speed cameras to catch the growth of the changing process of underwater ignition wake to obtain the wake flow and its evolution process, and to analyze the water environmental impact on wake structure changes. The experiments show that the characteristics of underwater wake are very different from those in the air. The forward speed of underwater wake is significantly reduced than in air, while the axial blockade leads to wake expansion in radial direction. The wake flow can be divided into bubble zone, blending zone and mixed zone. The wake is always shocking slightly, and intermittently shocking sharply. Small shocks and large shocks are the fundamental property of underwater wake flow of solid rocket motor.

solid rocket motor；underwater ignition；wake field；experimental investigation

2015-06-02；

：2015-07-01。

賈有軍(1975—)，男，高級工程師，研究方向為固體火箭發動機設計與研究。E-mail:zyyan111@163.com

V435

A

1006-2793(2015)05-0660-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.05.011