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特征线法在塞式喷管中的应用 2 航空动力 JournalofAerospacePower Vo1.i5No.4 Oct.2000 文章编号2000)040356—04 ])o 特征线法在塞式喷管中的应用 戴梧叶,刘宇 (北京航空赢军写北京100083) 摘要:介绍了特征线在塞式喷管中的瘟用,对于一些塞式喷管的特殊情况处理进行了详细的介绍,包括边界 条件的处理,膨胀渡和斜激波的处理等,并给出了典型的塞式喷管流场,给出了塞式喷管推力的计算方法,并 把计算结果和实验结果进行了比较. 关t词:尘_墼垫垫;喷管堑些擎驾 中圈分类号:V435.II文献标识码:A. 1弓I言 喜式嗳苣浇 低成本,高性能,多功能,可重复使用单级^ 轨天地往返运输系统(SSTORLV)的研究开发, 是航天技术向更高水平发展的必然方向,对于任 何空间运输发射,火箭动力是基础.以塞式喷管发 动机为基础的SSTORLV可望成为一个通用的 空间运输工具,因此,很多国家都在用数值模拟和 实验等手段对塞式喷管进行全面的研究.我国 也通过实验和数值模拟对塞式喷管进行了研究, 并建立了采用混合通量隐式算法对N—s方程进 行求解数值模拟方法. 2特征线在塞式喷管的应用 特征线法是解双曲型偏微分方程的最精确的 数值方法,特征线较多用于定常二维,平面和轴对 称的,无旋超音速流动问题,已经有了完整的数值 算法来确定超音速流场中内点上的流动参数. 特征线法计算流场时的控制方程为控制可压 缩流体的定常二维平面或轴对称无旋流动的气体 动力学方程,无旋条件以及声速关系口]: (一日),+(口一)+ 2一(aav/y)一0(1) 一一0(2) 4一日()一日,0)(3) 椰 塞式喷管的结构很复杂(参见图i),它有传 自由边界 图I塞式喷臂意图 统的小喷管(内喷管),塞锥以及底部等部分.根据 超音速流动的特征,可以把塞式喷管流场计算分 为两部分:一是喷管内流场的计算,一是塞锥流场 的计算.对于底部,由于可能出现亚音速,特征线 法就不再适应了,为了研究塞式喷管的性能,必须 采用其它的处理方法.这里说的塞式喷管内流场 的计算指的是塞式喷管传统的小喷管膨胀段的计 算,其计算方法在参考文献[3]中已有详细的介 绍.塞锥的形状不同于传统的喷管,它的一面是固 体壁面,另一面是自由边界,因此,它的计算比较 复杂,在边界的考虑要多得多,而且,很有可能出 现压缩渡甚至激波.由于塞式喷管发动机一般是 由很多塞式喷管单元排列在一起工作的,为了简 单起见塞锥上可以假设为二维平面流动.另外,可 以把内流场的计算得到的最后一条特征线作为塞 收稿日期:1999--i1—23}fI订日期{2000--01--2o 基金项目:国家自拣科学基盘货助项日;国家863—2高技术航天疆域赍助项日(863—2—3—4一i0) 作者简介:戴梧叶(i974一),男.北京航空航天大学宇航学院,博士生 372航空动力第l5卷 锥流场的初始线,直接用于塞锥上特征线法的计 算,也可以把AA线(它的参数由内流场计算得 到)作为塞锥流场的初始线,它们得到的结果是一 样的.当然,由于内流场只计算喷管的上半部分, 为了得到完整的初始线,需要把上半部分的参数 对称来得到下半部分 2.1边界的处理 在塞式喷管内流场计算中,它的边界条件处 理:一面当作壁面处理,另一面当作是轴对称处 理.在塞锥上,由于塞式喷管的塞锥的一面是固体 壁面,另一面是自由边界,因此,在考虑边界条件 时,一面应当按自由边界处理,另一面则要当固体 壁面条件处理. 对于壁面,可以利用壁面角函数: :tan()一旦(4) I:lX 对于对称轴线点可利用对称条件: 一一一 0(5) 对于自由边界,利用流体在自由边界的压力 与环境压力P相等这一条件,即: P一P.(6) 2.2膨胀波的计算 塞式喷管的内喷管出口的边沿点是个不 连续点(参见图2),在该点,即可能是发生膨胀又 可能发生压缩,因此对这一点要特别考虑. 小 Ma2 √[()一]占(7) 流动偏转角: itan[] tan ]÷}+tan[n;一]{一 tan[Ma}一1]÷(8) 其中:6一√爿(9) 取不同的马赫数,由下式得到一系列的普朗 特一迈耶角p: 一tan-~[] tan[Ma.一1]÷(10) 取不同的,由可插值求解不同的膨胀角 的马赫数Ma得出Ma后由相关公式计算其他 参数,然后继续利用特征线法把流场的计算进行 下去. 2.3斜激波的计算 如果喷管出口边沿处的静压小于周围大气的 环境压力,那么,在喷管的出口边沿会有一道斜激 波发出并传^流场,如图3所示.由于斜激波的强 图2普朗特一迈耶膨胀的单元过程 如果喷管出口边沿处的静压超过周围大气的 环境压力,在点会发生膨胀,这时,我们可以利 用普朗

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