水环境下喷管流动分离数值研究

发布时间：2021-07-20 13:07

　　为了研究水环境下发动机喷管流动分离现象以及影响因素和规律,基于VOF多相流模型和SST k-ω湍流模型,建立了水环境下固体火箭发动机喷流流场数值仿真模型,并进行了不同喷管扩张比和NPR（燃烧室总压与环境压强之比）下的喷流流场数值模拟。通过数值仿真分析获得了水环境下喷管内发生流动分离时推力、压力特征和流场非定常变化特征,水环境下喷管内流动分离具有强烈的非定常振荡特征,分离激波会在分离点与发动机喷管出口之间呈现推进-返回-推进周期性振荡的流动特征。同时,获得了喷管扩张比和NPR对流动分离特征的影响规律,相同水深环境下不同扩张比喷管对流动分离点位置影响较小; NPR越小,流动分离点的位置处喷管扩张比越小。 

【文章来源】：固体火箭技术. 2020,43(01)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

初始计算域

从图6喷管外部压力和体积分数分步云图可看出，伴随着喷管内部流动分离点位置的变化，喷管内部压力分布和体积分数分布也在不断变化，在分离激波处压力分布呈现突变特征，激波前压力呈现喷管内低压分布特征，激波后压力趋于环境压力，而在分离点体积分数也呈现气-水分离特征。同时，喷管出口的燃气射流形态也是不断膨胀、断裂和收缩的，喷管外部环境压力也同样呈非定常振荡变化特征。2.2 流动分离时压力分布特征和推力特征

通过分析最小喷管扩张比分离点位置对应时刻喷管内壁面压力分布，如图8所示。从图8中可分析出流动分离点所处喷管位置扩张比在3.4左右，与喷管理论设计能够适应深水水深环境压力的扩张比量值是一致的。流动分离点前喷管内壁面压力沿着喷管轴线向外逐渐降低，在分离点附近区域压力开始上升，甚至高于环境压力，并在下游逐渐趋于水深环境压力。从图8喷管内压力分布与喷管内为满流状态时压力分布对比来看，喷管内为满流状态时喷管内压力沿着喷管轴向向外是一直逐渐降低的，在扩张比3.4前的压力分布与发生流动分离时流动分离点前的压力分布是一致的，这也说明流动分离对分离点前的压力分布没有影响;在扩张比大于3.4的喷管内壁面，喷管内为满流状态时壁面压力持续降低，且小于环境压力。这也就解释了发动机喷管内流动分离时推力出现明显增大的现象，如图9所示，流动分离时推力量值明显高于喷管内满流时推力量值。

【参考文献】：
期刊论文
[1]无人水下航行器的发展现状与关键技术[J]. 王童豪,彭星光,潘光,徐德民.  宇航总体技术. 2017(04)
[2]水环境下固体火箭发动机喷流流场数值研究[J]. 燕国军,权晓波,王占莹,魏海鹏.  固体火箭技术. 2016(03)
[3]喷管分离流动模态转换过程壁压测量试验[J]. 王一白,陆星宇,李波,刘宇.  火箭推进. 2015(05)
[4]固体火箭发动机喷管分离流场数值模拟及试验研究[J]. 李耿,侯晓,陈慧,赵昆.  固体火箭技术. 2013(03)
[5]固体火箭发动机喷管分离流动及其数值模拟[J]. 王晓辉,于存贵.  兵工自动化. 2011(12)
[6]大膨胀比火箭发动机喷管流动分离与气动弹性分析[J]. 胡海峰,鲍福廷,蔡强,刘旸.  固体火箭技术. 2011(06)
[7]固体火箭发动机喷管分离流动数值模拟及试验研究[J]. 王艺杰,鲍福廷,杜佳佳.  固体火箭技术. 2010(04)
[8]喷管分离流动及其侧向载荷[J]. 林震,王长辉,刘宇,许晓勇.  北京航空航天大学学报. 2010(03)
[9]喷管分离流动与侧向载荷定常数值模拟[J]. 刘亚冰,王长辉,许晓勇.  航空动力学报. 2008(11)
[10]影响喷管流动分离的因素[J]. 孙得川,李江,蔡体敏,王珏,王维彬,刘建琦.  推进技术. 2000(02)



本文编号：3292880