大尺度火箭底部流场缩比效应的数值模拟

发布时间：2020-06-05 19:14

【摘要】：重型运载火箭具有较大的尺度,需并联多台发动机提供动力。由于火箭发动机羽流总温高,对箭体底部存在较强的辐射热流,且随着飞行高度的增加,发动机羽流会出现较大程度膨胀并相互作用,恶化火箭底部热环境。相关问题在重型运载火箭领域具有重要的工程价值。重型运载火箭的尺寸大,发动机总压及总温高,在其设计过程中,需要进行风洞实验评估底部热环境,提供热防护设计依据。然而受限于风洞试验段尺寸及实验条件,大尺度火箭在实验时需进行尺度缩比。目前,尺度缩比对火箭底部热流的影响规律还鲜有研究;另外,由于重型火箭发动机总压高,按额定值实验将对设备、安全性及成本带来挑战,需考虑降总压模拟的可行性,但总压变化对火箭底部热流的影响规律目前尚无清晰认识。本文采用考虑辐射传热的数值模拟方法,建立大尺度多喷管火箭模型,计算并分析了不同飞行高度条件下尺度缩比和发动机总压变化对火箭底部流场结构的影响,重点考察了底部热流密度的变化规律,为大尺度火箭底部热流地面试验设计提供数据参考。研究内容及进展如下:(1)针对模拟对象和条件开展了流场特征、辐射模型及气体辐射特性的数值校核,与公开文献的数据取得了一致,验证了本文所采取计算方法和模型的可靠性。(2)针对二维等效简化模型对火箭在高空环境下的尺度缩比流场进行了计算,结果表明,尺度缩比后流场具有相似性,火箭底部最大热流密度随模型尺度减小呈非线性上升趋势,符合理论预期。(3)针对三维全尺寸模型在不同飞行高度下的流场开展了计算表明,飞行高度较低时,各喷管喷流之间无相互作用,并在羽流下游高温恢复区保持较高辐射强度。随飞行高度增加,发动机喷管射流不断膨胀并产生局部回流,喷管附近高温区保持较高辐射强度。综合结果显示,随着飞行高度增加,火箭底部热流密度呈非线性增加。(4)针对不同飞行高度下的尺寸缩比计算表明,缩比后流场相似,对流传热增加,而辐射传热则在低公里数时增加,高公里数时降低,总的最大热流密度随尺度减小呈非线性增加。(5)针对发动机羽流总压变化对底部热流影响计算表明,压比相同条件下,发动机羽流总压降低,对流及辐射热流降低,底部最大热流密度随总压降低呈线性降低。
【图文】：

曲线对比,蓝色,数值计算,实验结果

Ａ７ｍｍ逡逑模型网格逡逑图２．１推进中心标准算例模型及网格逡逑１６０邋－逡逑＿邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｒｅｓｕｌｔｓ逡逑１４０－逦邋Ｎｕｍｂｅｒｉａｌ邋ｒｅｓｕｌｔ邋Ｘ＊逡逑ｆ邋１２０邋－逦Ｉ逡逑ｉ00＾邋／逡逑６０邋－邋＼ｌ逡逑１００逦１５０逦２００逡逑Ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｌｅａｄｉｎｇ邋ｅｄｇｅ／ｍｍ逡逑图２．２壁面压力分布曲线对比逡逑通过图２．２可以看出，由数值计算得出的蓝色曲线与实验结果符合较好，说逡逑明本文选择的计算软件在流场的湍流计算中可以取得较为可信的结果。逡逑２．４辐射计算校核逡逑针对涉及高温燃气的红外辐射问题，前人提出了很多模型，Ｆｌｕｅｎｔ中提供的逡逑离散坐标（ＤＯ）模型可以适应从光学薄到光学厚的各种问题。为验证模型的准逡逑确性，对某经典二维吸收介质算例进行验证Ｐ１。计算模型如图２．３，半径为ｌｍ逡逑的半圆中部去除一个半径为０．２邋ｍ的整圆，计算域内部介质保持恒定温度为１０００逡逑Ｋ，壁面为黑体表面，温度为０Ｋ。按吸收系数不同分为０．１、１和１０邋ｍ－ｉ三种工逡逑况，计算比较半圆底部的无量纲热流密度。逡逑１１逡逑

示意图,示意图,热流密度,辐射模型

图２．３半圆模型示意图逡逑三种吸收系数对应从光学薄到光学厚，将Ｆｌｕｅｎｔ计算结果和精确解进行对比逡逑如图２．４，可以看出，当光学厚度较薄时，，介质吸热很少，底部无量纲热流密度逡逑相应很小；当光学厚度增大时，介质吸收较大部分能量，与底部边界进行热量交逡逑换，这时底部无量纲热流密度相应增大，数值计算和精确解的结果都很好的体现逡逑了这点，证明了邋Ｈｕｅｎｔ软件中提供的ＤＯ辐射模型基本可靠，能够较好的计算本逡逑文研宄问题。逡逑＊邋／逦■逦ｅｘａｃｔ：ａ＝０．１逦＊逡逑＇／逦Ｐ逦ｅｘａｃｔ：ａ＝ｌ逦＾逡逑０．８邋ｊ逦■逦ｅｘａｃｔ：ａ＝１０逡逑ｊ逦———逦Ｆｌｕｅｎｔ：ａ＝ｌ逡逑＾逦逦邋Ｆｌｕｅｎｔ：ａ＝０．１逡逑银逦逦ＦＩｕｅｎｔ：ａ＝１０逡逑Ｉ＂＇…逡逑Ｓ邋：／逦＾逦＼逡逑＾邋０．４邋－逦气逡逑Ｉ逦＞逡逑０．２邋－逡逑－１逦＾０５逦０逦０５逦１逡逑Ｘ（ｍ）逡逑图２．４无量纲热流密度比较逡逑为了保证辐射问题计算的准确性，除了辐射模型的问题还要保证吸收系数的逡逑准确计算。Ｆｌｕｅｎｔ提供了内部的ＷＳＧＧＭ模型，但通过算例验证，其不适合我逡逑们现在计算的问题，故我们先由ＲＡＤＣＡＬ模型［５８］得到不同温度条件下的二氧化逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V430

【相似文献】