斜切喷管发动机三维内流场计算.pdf

斜切喷管发动机三维内流场计算 邓恒 寇军强 (中国兵器工业第203研究所，西安710065) 摘要：斜切喷管火箭发动机内流场特性复杂，尤其是喷管流动具有较强的不对称性，对发 动机l生能影响突出．本文通过对莱斜切喷管发动机三维内流场计算，研究了谊发动机内流场的主要特 性，在计算校核的基础上钟对设计进行了分析，并对计算所反映的关键问题进行了总结。 主题词：斜切喷管，固体火箭发动机，三雏，内流场 l前言 固体火箭发动机设计过程中，因为总体的需要。往往需要将发动机喷管设计成为斜切式，以便在 发动机后部布置舵机，电子舱等装置。尤其是对于小型战术导弹用SRM来说，斜切喷管发动机具有结 构简洁、应用灵活、适应性强的突出优点，因此在工程上得到了广泛应用。但另一方面．斜切喷管发 动机内流场特性较为复杂，且与斜切喷管的斜切方式、位置密切相关，对其性能评估上往往缺乏一个 统一的理论计算标准．必须进行针对性的研究．传统的发动机试验也仅能获得非常有限的参数，无法 仔细考察发动机的详细性能，且成本高昂．因此有必要开展内流场数值模拟研究，以便对发动机的工 作机理进行更深刻的揭示．对发动机设计和试验提供理论依据。 目前国内在斜切喷管内流场计算上进行过大量数值模拟研究。但大多数仿真工作均建立在二维模 型的基础上，如2002年国防科大刘君、郭健开展了双斜切喷管固体火箭发动机的二维内流场计算，探 讨了喷管内激波的产生机理和性能损失，取得有意义的结论。2006年部分高校开展了斜切喷管的三维 计算，但其计算模型均较为简单．因此。针对工程研究的实际需要，本文通过对某斜切喷管固体火箭 发动机的三维内流场计算，探索了这种发动机内流场计算的模型、方法，取得较好结果。 2计算模型 2．1几何模型 本文针对的固体火箭发动机采用双斜切喷管结构，斜切喷管在扩张段后连接一直筒段，斜切 面在直筒段，模型如图l所示： 图l几何模型 根据发动机的对称性，为减小计算规模．几何模型采用SYMMETRIc方法，建立具有对称特性的 164 根据发动机的对称性，为减小计算规模，几何模型采用SYMMETRIC方法，建立具有对称特性的 一半模型(图l右图)．由于该发动机后盖部分内型面具有半潜入的特征，型面较为复杂，工程中比 较共0这一区域的流动情况，因此在建立喷管模型时同时包含了该部分的型面特征，而发动机燃烧室 筒段的内部流动特性相对较为简单，因此，本计算只取燃烧室的一小部分，有效简化了模型．整个横 型包括了发动机主要的复杂流动区域． 2．2计算模型 2．2．1物理模型简化 a、发动机工作的真实过程应该是非稳态的，但此发动机为一长时间工作固体火箭发动机，且近 似恒面燃烧，因此可以认为在平衡段处于稳态工作状况，教本文采用了稳态计算模型； b，采用冻结流模型，认为在流动中燃气参数为常效，且遵循理想气体模型； c、整个模型为绝热模型·即认为燃气与固壁闻没有能量交换： d、由于本发动机装药不舍有金属粒子，因此，不考虑两相流影响； e、不考虑化学反应和热辐射； f’不考虑产品工艺特性。忽略表面粗糙度影响． 2．2．2数学模型 忽略质量力、化学反应和热辐射．任意曲线坐标系(孝，，7，f，善)下。三维理想气体可压流：N．s方 ^ A A ^ I ^ ^ Al 掣+罂+娑+塑：上l堕+堡+塑l af af a吁 a芋 R，l8毒 a叩 a孝l ’’ ^ ^ p n 一 其中；E、，、G为对流项，上_，、，r、L～为粘性项． 本计算中，对流项采用二阶迎风格式离散，粘性项采用中心差分格式离散． 2．2．3湍流模型 因为该发动机后盏内型面几何特征复杂，曲率变化较大，流线曲率可能也会随之发生大曲率的变 化，因此，在湍流模型上，选用7更适用于强流线弯曲的RNGk-epsilon；摸型，数学方程表示如下： 昙。咖毒汹i)．寿卜声茜j+q+吼一声一k+ 言。小言汹房考卜∥苦】+cl。；慨