塞式喷管侧向喷流仿真研究

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1、第39卷第2期2013年4月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．39．№．2Apr．2013塞式喷管侧向喷流仿真研究柳长安，李光熙，吕奇伟(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：随着快速、准确等控制要求的提高，越来越多的飞行器采用了直接侧向力控制技术，这对飞行器本体及喷流装置均提出了更高要求，是先进飞行器气动设计中的关键技术之一。参考美国NCADE方案中的塞式喷管控制发动机结构进行了侧向喷流干扰流场的数值仿真研究，并与常规拉瓦尔喷管进行了对比，分析了两种喷管干扰流场结构及性能的异同，为相关研究提供借鉴。

2、关键词：塞式喷管；拉瓦尔喷管；侧向喷流；N—S方程中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2013)02—0059—04LateraljetsimulationstudyofannularthroatplugnozzleLIUChang—an，LIGuang—xi，LtiQi—wei(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abstract：Withthedevelopmentofquickandaccuratecontroltechnology，t

3、helateraljetcontroltechnologyisadoptedinmoreandmoremissilesandotherairvehiclestomeetthistrend，whichhasbecomeakeytechnologyinthevehicledesign．Thispresentsmorestrictrequirementstothevehiclesandthejetdevicesalso．AccordingtotheplugcontrolengineusedinAmerican’SNCADEdesign，thenum

4、ericalsimulationwasimplementedfortheflowfieldofthelateraljetoftheplugnozzle，andtheflowfieldwascomparedwiththeflowfieldoftheconventionalLavalnozzle．Thedifferenceoftheflowfieldstructuresofthetwonozzlesareanalyzedinthispaper．Theanalysisresultprovidessomehelpfortherelatedresear

5、ches．KeTwords：plugnozzle；Lavalnozzle；lateraljet；N-Sequation0引言使用侧向气体喷流装置来控制飞行器末端运动的方法正逐步在高精度制导武器中得到应用，已成为先进飞行器气动设计中的关键技术之一，该技术能够有效地提高飞行器横向机动性能。目前，美国的PAC一3和THAAD拦截导弹均采用了直接侧向力控制技术。但是，侧向喷流和外流的相互干扰不仅会导致飞行器气动特性改变，也会对喷流装置产生较大影响，因此开展侧向力装置及侧向喷流技术的研究无疑对高精度制导飞行器收稿日期：2012一ll一16；修回日期：2

6、012—12—27基金项目：中国航天科技集团公司支撑项目(2009JY01)作者简介：柳长安(1974一)，男，高级工程师，研究领域为组合推进总体技术60火箭推进2013年4月的设计具有重要意义⋯。带侧向喷流的超音速外流流场结构复杂，侧向喷流与自由来流相互作用后，将产生复杂的激波／边界层干扰、激波／激波干扰、分离流、漩涡等一系列复杂流动现象㈣。对于塞式喷管这种复杂喷流装置来说，其喷流流场将比常规拉瓦尔喷管的喷流流场更为复杂，因为塞式喷管自身的流场结构就是一个具有激波、漩涡、分离等复杂流动的三维流场[5--71。为了分析塞式喷管侧向喷流与外流干

7、扰情况对侧向控制力及喷管的影响，本文针对某一环喉型塞式喷管[4．61进行了喷流干扰流场的仿真计算和分析，研究了这种复杂干扰流场的流动特点和侧向力特性。1数值方法1．1喷管模型本文研究的喷管为环喉型塞式喷管，参考了文献中的喷管结构形式。该类型喷管是2007年美国提出的网络中心机载防御系统(NCADE)中二级控制发动机所采用的喷管形式。另外，为了与常规喷管的喷流进行对比，对扩张半角15。的拉瓦尔喷管模型也进行了流场仿真。1．2网格划分和边界条件环喉型塞式喷管是轴对称结构，为了简化网格拓扑结构，将内外流网格都处理为周相旋成体的0型结构网格，沿轴向采

8、用分块网格将喷管内流道和外部自由流场分为若干个子网格，相应的圆柱型网格域外边界设为远场边界。在文献『1，71中都将喷管出口与喷管轴线垂直的平面设置为物面，考虑到物面