0 引　言

导弹垂直发射装置具有通用性好、全方位发射等诸多优点，燃气排导系统是导弹垂直发射装置的重要组成部分，其作用是将导弹发射时产生的高温高速燃气流安全可靠地排到舰艇以外的大气中，保证发射装置和导弹的安全，燃气排导效率是衡量燃气排导系统性能的重要指标。

本文采用Fluent软件从N-S方程出发，对某型发射装置的燃气排导结构进行数值模拟，研究了燃气排导通道在不同收缩段高度H、不同转弯半径R、不同排气直管直径Φ下的排导效率以及流场参数分布，为排导系统的结构设计提供了理论依据。

1 计算模型 1.1 物理模型

本文研究的燃气排导系统由收缩段、排气弯管和排气直管组成，如图1所示。箱弹坐落在收缩段上部，导弹发射时产生的燃气经收缩段流入排气弯管，偏转180°后向上经排气直管排入大气。分别计算H为250 mm，300 mm，R为400 mm，415 mm以及Φ为230 mm，280 mm时的燃气排导系统的排导效率以及排气道、发射箱内的流场分布。图中P₁～P₄点为温度压力监测点。

1.2 控制方程

导弹点火时，从发动机喷出高温、高速气固两相燃气流。为了简化计算，不考虑燃气中固体颗粒的影响。三维Navier-Stokes方程组如下：

质量守恒方程为

$\frac{{\partial p}}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho {u_i}} \right) = 0\text{，}$

(1)

动量守恒方程为

$\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho {u_i}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\rho {u_i}{u_j}} \right) = \frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + {F_{\mu + \mu t}}\text{，}$

(2)

能量守恒方程为

$\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho E} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left[ {{u_i}\left( {\rho E + p} \right)} \right] = G\text{。}$

(3)

式中： $\rho ,\;u,\;p,\;E$ 分别为燃气流密度、速度矢量、压力和总能。

本文选择在流场计算中广泛应用的Realizable k-ε湍流模型进行计算。

2 边界条件 2.1 入口边界条件

入口总温为气体的定压燃烧温度，总压为发动机内燃烧室内的压强。入口边界设在发动机喷管收缩段。

2.2 出口边界条件

在流场计算过程中，理论上取无穷远处大气环境状态作为燃气流出口状态。在计算中都采用扩展边界，使计算区域足够大，从而满足出口压强为环境压强。

所有出口均采用压力出口边界条件，即 ${p_{out}} = {p_\infty }$ （1个大气压）。

2.3 壁面边界条件

除入口、出口边界条件外，其他所有区域的边界条件均为壁面边界条件。流体与固体相互作用的边界满足经典边界层函数。其中，壁面热边界条件采用绝热条件。

2.4 初始条件

计算区域内初始压强、初始温度和初始速度为周围环境条件（1个大气压，温度为300 K，速度为0 m/s）。

3 计算方案与计算区域 3.1 计算方案

本文针对不同收缩段高度H、不同转弯半径R、不同排气直管直径Φ下的排导效率分别进行计算。

3.2 计算区域

针对不同方案，对流场区域进行网格划分，在不同区域划分不同的网格密度，网格划分如图2所示。

3.3 燃气排导有效性分析

在导弹点火发射过程中，燃气流经燃气排导系统后分为2部分排出。一部分从排气道排出；另一部分返入发射箱，从发射箱口排出。其中，返流进入发射箱的燃气流会对导弹产生烧蚀的作用，威胁导弹的安全。如果燃气排导系统中的燃气流全部从排气道排出，进入发射箱的燃气流返流为0，这样导弹不会受燃气流烧蚀影响。因此，可根据从燃气排导系统中排出的燃气流量占排出甲板面的燃气总流量的比率作为燃气排导有效性的判断方法。即

$\begin{split}&{\text{燃气排导率}}=\\&\frac{\text{从排气道排出的流量}}{\text{从排气道排出的流量}+\text{从发射箱排出的流量}}\text{。}\end{split}$

(4)

如果从发射箱无燃气排出，或者有空气从发射箱吸入的情况，说明所有的燃气均从排气道排出到甲板面以上，则燃气排导效率为100%。

4 计算结果 4.1 燃气排导效率

各种方案下排导效率见表1，图3为方案2的排导效率曲线。

4.2 结果分析

从表1可以看出，方案2、方案4和方案8的燃气排导效率均大于90%，其中方案2和方案4的排导效率更是达到100%，表明有气流从发射箱出口吸入，方案2从发射箱出口吸入的空气多于方案4。

H与R相同（方案1与方案2、方案3与方案4、方案5与方案6、方案7与方案8）时，Φ值由230 mm增加到280 mm时，排导效率增加较多，说明排气直管直径对排气效率影响较大。

R与Φ相同（方案1与方案5、方案3与方案7）时，H值由250 mm增加到300 mm时，排导效率变化不明显。方案2与方案6、方案4与方案8相比，H值增加排导效率有所下降。

H与Φ相同（方案1与方案3、方案2与方案4、方案5与方案7、方案6与方案8）时，R值由400 mm增加到415 mm时，排导效率有增有减。

以方案2为例，燃气流在排导通道内的运动如图4所示，P₁～P₄点温度变化如图5所示。

从图5可以看出，160 ms时发射箱出口基本无燃气流出，图5 P₄点是发射箱出口处监测点，温度最高537 K，进一步说明有冷空气从发射箱出口吸入，所有燃气均从排气道出口排入大气。

5 结　语

经过各种方案下流场的数值计算可得出如下结论：

1）排气直管直径对排导效率影响最大，直径越大，越有利于燃气排导。

2）收缩段高度和排气弯管半径对排导效率影响较小，可以根据结构尺寸确定。

通过采用Fluent软件对某型发射装置燃气排导系统的流场进行数值模拟，得到了不同结构下的排导效率，可以得到一些在实验中无法测量到的参数，为燃气排导方案的确定提供理论依据，也为实验研究提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间。