基于气固两相双流体模型研究火箭发动机斜切喷管流场特性
发布时间：2021-07-26 14:31
为了研究火箭发动机（SRM）斜切喷管的两相流动特性,采用气体-颗粒相双流体模型,并结合多区域混合网格技术,对发动机斜切喷管内气相与颗粒相的相互作用规律进行研究,探索颗粒直径与颗粒质量分数变化对发动机喷管气固两相流动特性的影响。结果表明:固体颗粒相的存在,对发动机斜切喷管的流场结构产生重要影响,导致喷管轴线附近存在一个燃气流动速度较低,温度较高的区域。同时,喷管壁面附近存在无粒子区,随着颗粒直径的增加,无粒子区域的范围逐渐扩大。并且,颗粒直径越大,其运动速度越小,在喷管内的滞留时间越长。颗粒直径与质量分数的变化同样会影响发动机喷管的流场结构,随着颗粒直径的增加,发动机喷管轴线处气相马赫数先减小后增大,而燃气温度则先增大后减小;发动机推力的变化趋势与马赫数变化趋势相同,但两者并不同时达到极值点。颗粒相的质量分数越大,沿喷管轴线方向的气相马赫数和发动机推力越小,喷管两相流损失越大。
【文章来源】：航空动力学报. 2020,35(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
斜切喷管火箭发动机结构图
1.4 计算区域与边界条件选取图1中斜切喷管火箭发动机后部作为发动机内流场和喷管流场特性研究的主要区域,进行网格划分(如图2),由于本文所研究的斜切喷管火箭发动机,不仅喷管采用斜切结构,而且发动机喷管轴线方向与燃烧室轴线方向之间存在夹角,与常规发动机结构有很大的不同,计算区域具有明显的三维特性。并且喷管喉部连接处几何形状复杂,很难用整体结构网格进行处理,同时模型中存在明显的边界层结构,建立一体非结构网格,边界层处网格质量也难以保证,因此选用多区域混合网格是一种很好的方法。将计算区域分为3个部分:燃烧室圆柱段、尾部收缩段和斜切喷管段。收缩段建立非结构网格,圆柱段和喷管段分别建立结构网格,不同区域通过边界面相互插值进行参数传递。计算区域,轴线方向总长度为78 mm,法线方向总长度为36.7 mm,喷管喉部直径为6 mm,喷管出口面积与喉部面积之比为14.21,斜切喷管轴线长度为26.4 mm,扩张半角为15°。由于此模型斜切喷管入口区域流场结构较为复杂,为了准确获得复杂流场特征信息,对喷管入口与喉部处进行网格局部加密,网格总数量约为61.5万。
本文研究工况较多,为了确保数值模拟的准确性,排除各个工况因网格数量不同而造成的结果失真,需对已建立的计算网格模型的无关性进行验证。选用纯气相流工况进行计算,取网格数分别为61.5万、123万和235万的3种方案进行比较。通过图3可知,3种方案发动机喷管轴线气相马赫数分布曲线基本重合,并且这3种方案燃烧室尾部区域平均压强数值为10.15 MPa,与此发动机设计压强值10 MPa较为接近。表明当计算网格数到达61.5万以后,网格数量的增加对计算结果没有影响,同时根据压强结果,认为将此模型用于计算发动机的斜切喷管流场特性是可行的。2 计算结果与分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]含铝复合推进剂分布燃烧数值模拟[J]. 刘平安,常浩,李树声,王文超. 固体火箭技术. 2018(02)
[2]含铝复合推进剂燃烧与流动数值模拟[J]. 刘平安,常浩,王文超,郜冶,刘加宁. 固体火箭技术. 2017(06)
[3]固体火箭发动机喷管扩张段粒子冲刷流场分析[J]. 苗志文,甘晓松,许团委,晁侃. 固体火箭技术. 2017(05)
[4]固体火箭发动机喷管喉部凝相颗粒粒度分布实验[J]. 张胜敏,胡春波,夏盛勇,李佳明. 推进技术. 2012(02)
[5]固体火箭发动机燃烧室凝相颗粒燃烧特性分析[J]. 张胜敏,胡春波,徐义华,陈剑. 固体火箭技术. 2010(03)
[6]固体火箭发动机喷管气固两相流动的数值模拟[J]. 于勇,刘淑艳,张世军,张夏. 航空动力学报. 2009(04)
[7]火箭发动机气体-颗粒两相流双流体模型研究[J]. 李东霞,徐旭,蔡国飙,张振鹏. 固体火箭技术. 2005(04)
[8]长尾喷管中粒子运动轨迹的数值模拟[J]. 淡林鹏,张振鹏,赵永忠,张同表,李家玉. 航空动力学报. 2003(02)
[9]气—固两相自由射流的粒子仿真方法[J]. 黄琳,刘君. 国防科技大学学报. 2002(03)
本文编号：3303743
【文章来源】：航空动力学报. 2020,35(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
斜切喷管火箭发动机结构图
1.4 计算区域与边界条件选取图1中斜切喷管火箭发动机后部作为发动机内流场和喷管流场特性研究的主要区域,进行网格划分(如图2),由于本文所研究的斜切喷管火箭发动机,不仅喷管采用斜切结构,而且发动机喷管轴线方向与燃烧室轴线方向之间存在夹角,与常规发动机结构有很大的不同,计算区域具有明显的三维特性。并且喷管喉部连接处几何形状复杂,很难用整体结构网格进行处理,同时模型中存在明显的边界层结构,建立一体非结构网格,边界层处网格质量也难以保证,因此选用多区域混合网格是一种很好的方法。将计算区域分为3个部分:燃烧室圆柱段、尾部收缩段和斜切喷管段。收缩段建立非结构网格,圆柱段和喷管段分别建立结构网格,不同区域通过边界面相互插值进行参数传递。计算区域,轴线方向总长度为78 mm,法线方向总长度为36.7 mm,喷管喉部直径为6 mm,喷管出口面积与喉部面积之比为14.21,斜切喷管轴线长度为26.4 mm,扩张半角为15°。由于此模型斜切喷管入口区域流场结构较为复杂,为了准确获得复杂流场特征信息,对喷管入口与喉部处进行网格局部加密,网格总数量约为61.5万。
本文研究工况较多,为了确保数值模拟的准确性,排除各个工况因网格数量不同而造成的结果失真,需对已建立的计算网格模型的无关性进行验证。选用纯气相流工况进行计算,取网格数分别为61.5万、123万和235万的3种方案进行比较。通过图3可知,3种方案发动机喷管轴线气相马赫数分布曲线基本重合,并且这3种方案燃烧室尾部区域平均压强数值为10.15 MPa,与此发动机设计压强值10 MPa较为接近。表明当计算网格数到达61.5万以后,网格数量的增加对计算结果没有影响,同时根据压强结果,认为将此模型用于计算发动机的斜切喷管流场特性是可行的。2 计算结果与分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]含铝复合推进剂分布燃烧数值模拟[J]. 刘平安,常浩,李树声,王文超. 固体火箭技术. 2018(02)
[2]含铝复合推进剂燃烧与流动数值模拟[J]. 刘平安,常浩,王文超,郜冶,刘加宁. 固体火箭技术. 2017(06)
[3]固体火箭发动机喷管扩张段粒子冲刷流场分析[J]. 苗志文,甘晓松,许团委,晁侃. 固体火箭技术. 2017(05)
[4]固体火箭发动机喷管喉部凝相颗粒粒度分布实验[J]. 张胜敏,胡春波,夏盛勇,李佳明. 推进技术. 2012(02)
[5]固体火箭发动机燃烧室凝相颗粒燃烧特性分析[J]. 张胜敏,胡春波,徐义华,陈剑. 固体火箭技术. 2010(03)
[6]固体火箭发动机喷管气固两相流动的数值模拟[J]. 于勇,刘淑艳,张世军,张夏. 航空动力学报. 2009(04)
[7]火箭发动机气体-颗粒两相流双流体模型研究[J]. 李东霞,徐旭,蔡国飙,张振鹏. 固体火箭技术. 2005(04)
[8]长尾喷管中粒子运动轨迹的数值模拟[J]. 淡林鹏,张振鹏,赵永忠,张同表,李家玉. 航空动力学报. 2003(02)
[9]气—固两相自由射流的粒子仿真方法[J]. 黄琳,刘君. 国防科技大学学报. 2002(03)
本文编号：3303743
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