侧向脉冲喷流瞬态干扰流场探讨
2005年4月
第26卷第2期
推进技术
JOURNALOFPROPULSIONTECHNOLOGY
Apr.2005
V o1.26No.2
侧向脉冲喷流瞬态干扰流场探讨
徐敏，陈刚，陈志敏，陈士橹
(西北工业大学航天工程学院，陕西西安710072)
摘要：当姿态控制发动机工作时间很短时，喷流干扰产生的非定常气动特性就显得非常重要.为了研究脉冲
发动机起动到关闭过程中引起的非定常气动特性对导弹控制效应的影响，采用了二阶时间精度的LU隐式时间推进
格式和双时间计算技术，数值求解了飞行马赫数M=5，迎角o/=0.情况下，拦截导弹姿态控制脉冲发动机喷流的
瞬态过程和所产生的非定常气动特性.以0.001ms间隔观察了导弹表面在喷流出口附近非定常干扰流动分离区的
发展过程.给出了详细的喷流瞬态干扰流场结构，以及喷流瞬态干扰区随时间改变的流场细节特性.研究表明：喷
流前的高压区和喷流后的低压区对非定常效应非常敏感.并且，当喷流已完全关闭时刻还存在喷流羽流的残余干
扰量.
关键词：步进发动机；非定常流；瞬态喷流效应；喷流干扰；流动分布
中图分类号:V439.7文献标识码:A文章编号:1001-4055(2005)02-0120-05 Observationoftransientinteractionoflateralimpulsejet
XUMin,CHENGang,CHENZhi—min,CHENShi—lu
(Coil.ofAstronautics,NorthwesternPolytechnicalUniv.,Xi'an710072,China) Abstract:Thesidethrusterisahighlyresponsivemeansforattitudecontrolofmissiles.Asthej etpulsetimeshortens,
however,theeffectofflowtransientsbecomesincreasinglyimportanttofluiddynamicsofjeti nteraction.Inordertostudythe controleffectsduetothetransientnatureofjetstartupandshutdown,transientjet—interaction(TJI)phenomenaandunsteady aerodynamicwereanalyzedbycomputationalmethodusingLU--SSORimplicittime??mar chingsecondorderaccurateschemeand
doubletimetechnologyatM=5,o/=0..Thedevel唧mentoftheflowseparatedsectionaroundthevicinityofsidejetexitwas observedattheevery0.001ms.Resultsshowthatatthemomentoftheshutoffofthethrusterthe reisresidualinfluenceinthe
jetflow,whichshowsthedelayeffectoftheunsteadyfield.Andespecially,theywilltranslatei ntofairlylargeeffectsonnor—malforceandpitchingmomentthatallowsUStoexplainwhythetransientjet/hyper
sonic—flowinteractionenhancestheeffectof thejetreactionforceinthejetstartupandshutdown.
Keywords:Steppingmotor;Unsteadyflow;Transientjet—interaction;Jetinterference;Flowdistribution
1引言
采用侧向喷流控制技术是导弹快速获得姿态响
应的有效方法.发动机侧向喷流姿态控制系统能产
生相对于飞行方向较大角度的推力，给传统的
气动控制面提供了一个有效的补充，改善了导弹的敏
捷性和可操纵性.在导弹表面，横向喷流与超声速自
由流的相互干扰导致喷流上游产生一高压区，该高压
区引起了力和力矩的增强效应.有效利用这一效应
能改进拦截弹的拦截效率和优化导弹气动性能.
拦截弹姿态控制固体脉冲火箭发动机工作过程
非常短暂.一般脉冲发动机整个工作过程中，驻室压
强随时问的变化情况如图1所示.所以姿态控制
力和力矩的形成同样也应是时间的函数.推力随时
间的发展和消失过程直接影响到喷流控制力作用效
应，导弹飞行性能和制导控制系统品质的优劣.另
收稿日期:2004-06—13；修订日期:2004—10-26.
基金项目：国家"八六三"基金资助项目(863—801).
作者简介：徐敏(1956～)，女，博士，教授，研究领域为计算流体力学，飞行器设计，弹性飞行器动力学与控制.
E—mail:CFD—
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外，这一非定常过程产生的动载荷将引起导弹的结构
振动.振动通过结构内部传播，产生噪声传播.一旦
振动发生，该振动还会影响导弹内部的敏感元件，并
导致错误信号.对于设计工作者来说，精确地预测动
载荷是非常必要的.
Fig.1Pressurewithtimeinthechamber
的方法，针对脉冲发动机整个工作过程进行了非定常
喷流和自由流场干扰效应研究.研究工作包括以LU
隐式时间推进格式为基础，推导其具有二阶精度的隐
式时间推进格式.并在N-s控制方程中引入伪时间
导数项，借助伪时间方向的Newton"子迭代"计算，对
上/下对称逐次超松弛(LU-SSOR)格式进行修正.
计算了侧喷控制发动机启动，关闭时的瞬态流场，给
出了侧向喷流瞬态干扰详细结构特性.
2控制方程
在惯性坐标系(,Y,z)下，非定常积分形式的Navier—Stokes方程可写为
去f_d+?dS=?d;(1)
式中(t)是运动控制体积,S(t)是运动控制体积的
表面积.
国外21世纪初开始进行喷流非定常特性研
究.研究手段主要采用数值模拟的方式".
国内对定常横向喷流和自由流场干扰已进行了:
研究，但对喷流非定常特性研究还未见报道.为进行横向喷流干扰效应的非定常研究，本文采用数值计算F=
P(u—u6)
pu(U—U6)+P
p(u—u6)
pw(u—u6)
pH(Ⅱ一u6)+pu6
P(t，一t,6)
pu(一6)
pv(t，一t,6)+P
pw(t，一t,6)
pH(t，一t,6)+pv6
式中u,,W表示控制体表面的绝对运动速度.
完全气体的状态方程
P=(一1)p[E一0.5(u+t,+W)](2)
湍流模型采用改进的B.L模型….thaad
3数值方法
3.1伪时间与LU隐式格式技术
控制方程(1)通过有限体积中心格式进行离散
得以下关于给定网格的半离散形式
一——
1——～盖(u,,)+Q，袁Q一(3)
式中QlIJ,
为流体流出网格单元的对流通量,Q.m为
流体流出网格单元的粘性通量.
对无粘数值通量Q.
进行线化处理，略去展开
式中的二阶及更高阶项，并根据通量差分的概念，将P
P"
P
P
pE
F:
P(W一6)
pu(一6)
pv(W—W6)
pw(W—W6)+P
pH(W—W6)+pw6
网格面上的无粘通量雅可比矩阵按其正，负特征值进行分裂，用迎风法则，可得以下分裂形式的离散方程\I+OLAik—Aik+Bik—Bik+
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