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第十届全国计算流体力学会议论文集 高空羽流流场数值仿真 李中华粱杰 中国空气动力研究与发展中心超高速所，四川绵阳621000 摘要： 本文用DSMC方法对低总压状态下滤动介质为氰气的喷管流动、高空羽流流 场和羽流对平扳的撞击效应进行了模拟．喷瞥流动的模拟结果与国外试验结果作了比较．出口 边界层符合较好．模拟结果显示，真空膨胀引起喷管内亚音速边界层流动加速，而且边界层的 存在对噔管出口的参数分布影响很大，进而影响到羽流流场特别是倒流区的参数分布。模拟结 果显示出羽流流场中漉动参数随膨胀急剧变化的趋势，还发现了在羽流滤场中有较严重的热非 平衡现象．在倒流区．流速很低而温度较高。对平板的撞击效应模拟中发现，在连续流和过渡 魄有相似的分布规律。 0引言 高空羽流是指在卫星、空间站等轨道器或航天飞行器上工作的火箭发动机在工作时，形 成的燃气羽流。其周围环境压力很低，可以作为真空来处理。在这种状态下，由喷口喷出的 燃气将不受限制地膨胀。在连续流的理论下，羽流的膨胀会达到极限。然而对于高空羽流， 流量通常较小，膨胀迅速而叉不受限制，在整个羽流区．特别是羽流的外缘区域，气流的密 度极低，连续介质的假设已经不再成立。根据流场中的Kn数，喷口附近核心区流动可以处理 成连续流，在别的区域上，流动必须按过渡流和自由分子流处理。在喷管唇口外缘，由于分 子的热运动，有一些分子会流动到喷口的后方，通常将这一区域称为倒流区(图1)。 对高空羽流的研究，是解决高空羽流环境污染而提出的要求。高空羽流环境污染，主要 是指航天器入轨和在轨运行时发动机点火形成的羽流流场对航天器某些易受损坏部位(如太 阳帆板、相机窗口、敏感器件)的撞击、光、化学、电污染．这些污染如果不加以控制和采 取措施，将会影响航天器的正常工作和使用寿命、影响航天器与空间站的对接精度，甚至出 现严重事故。对羽流污染的分析应该考虑以下几个问题：(1)燃烧热化学；(2)化学反应、振 动、转动的松弛过程；(3)喷管内的两相流动：(4)沿喷管壁面上边界层的变化；(5)亚音速 边界层在接近喷管唇口时的加速；(6)羽流连续流态中单相和两相流动：(7)连续流方程失效 的判断准则；(8)包含非平衡流、过渡流、稀薄流的流动； 本文对文献【I】中试验用一个小推力火箭发动机，用DSMC方法模拟了从喷管喉道开始流 动的几个试验状态，并与试验结果和Simons模型工程估算结果进行了比较。模拟时用氮气作 为流动介质，不考虑燃烧化学反应、振动的松弛过程，且不考虑两相流动。模拟中采用了VHS 分子模型、L—B碰撞模型、NTC计数器和网格加权技术。 Po,To 图l羽流流动示意图 1数值仿真 1．1算倒●数 本文计算参数列表如下 序 号 总温瓦(K) 壁面温度瓦(K) 流动舟质 总压Po(×105Pa】 1 2 290 240 l } 2 2 1000 933 Ⅳ2 { 2 1 1000 833 f 4 05 1000 833 l 霉 前室条件 平板位置 璧温∞ 崩 p。(pa)丸(kg／一)U。(m／s) 1 33 300． 57723×10‘46_38 1．日920×10’ 1376 l P022．x 『 105pa l 2 166． 0161l 0403564 1422 兀=1000K