的三维数值分析液氧/煤油发动机排气羽流流场特性

文摘

针对计算并研究发动机排气羽流的流场特性的影响,比较分析不同的化学反应机制在发动机排气羽流流场特征,方法考虑提出完全燃烧状态的影响,这是应用于多喷管发动机排气羽流流场计算。在此基础上,一个三维数值分析的影响不同的化学反应机制在液氧/煤油发动机排气羽流流场特性。发现多步化学反应能够准确地描述了液氧/煤油发动机燃烧过程,平均燃烧室压力的计算大于4.63%,测试,和室内平均温度的计算大于3.34%,从热力学计算。单喷嘴和双喷嘴的排气羽流计算使用全球化学反应时间比那些使用多步化学反应;最高温度和最高速度羽轴计算利用前者大于后者。化学反应的重要影响机制研究中必须考虑修复结构的双喷嘴发动机的火箭的身体。

1。介绍

发动机排气羽流带来各种各样的问题的设计和发射火箭,如(1)(1)底部对流传热问题;(2)底部辐射传热问题;(3)雷达信号衰减问题;(4)地面热冲击问题在起飞的火箭。火箭发动机排气羽流流场特性的研究具有以下重要应用价值(2):(1)获得成熟的理论和方法,可以用来帮助研究跟踪大型导弹(3,4),(2)研究排气羽流的衰减效应在射频通信信号5]。

利用CFD(计算流体动力学)排气羽流流场计算软件具有显著的优势,比如三维数值模拟,选择湍流模型,获取详细的流场参数,等等;它得到了广泛的开发和应用。威廉和Calhoon的模拟6]分析了火箭排气羽流流场使用结构化和可压缩n流求解器软件喘息(一般气动模拟程序);仿真研究土星五号重型运载火箭羽流进行了(7使用CFD计算procedures-OVERFLOW]。分段计算方法(2)是用来计算排气羽流流场:首先,得到临界温度和其他参数可入口边界条件的第二阶段使用CEA(化学平衡应用程序)从NASA的零维数值分析,然后与CFD软件FLUENT计算排气羽流流场。三维数值模拟的纯气相单喷嘴(8]和four-nozzle [9)排气火焰流场计算采用大涡模拟(LES)方法的前提下忽略了化学反应的影响。流利的简化流场模型用于验证战斧巡航导弹bgm - 109 (10]。上面的排气羽流流场计算方法是不考虑内部燃烧状态的影响进行排气羽流流场特性。蔡等人,冯et al。11,12)开发的一个集成的计算方法的内部流场和发动机的羽流场;燃烧室燃烧的影响模型和喷嘴内表面类型羽流流场特性进行了研究。综合计算方法考虑发动机内部燃烧状态的影响,但它需要更多的重复计算在计算多喷管发动机排气羽流流场。

本文方法充分考虑燃烧状态的影响提出了基于CFD软件FLUENT,这是应用于多喷管发动机排气羽流流场计算。首先,引擎内部流场的模拟,和喷嘴喉部截面参数如入口边界。然后计算单喷嘴和多喷管发动机排气羽流流场。基于该方法,数值分析的影响不同的化学反应机制对单喷嘴和双头喷嘴液氧/煤油发动机排气羽流流场特性。

2。数学和物理模型

2.1。控制方程

多组分化学反应和保守的三维计算方程用作流动,物质和能量的交换,和燃烧模型的控制方程。下面是它的一般形式。 在哪里是保守的变量向量;是时间变量; , ,和对流项向量; , ,和粘性项向量;和是源项向量。上面的方程包括质量方程、动量方程、能量方程,方程的组件的方向x,y,z,分别。

2.2。化学反应机理

在煤油有数百个组件,因此很难准确地描述实际的化学反应过程。摘要单步全球化学反应机制和多步化学反应机制进行了研究。

第一部分是全球单步化学反应,和煤油的实际燃烧过程可以简化的替代燃料₁₂H₂₃通过一步法氧化过程;反应产生H₂O和有限公司₂化学反应速率通过计算 在哪里在K温度,单位;(煤油)的摩尔浓度煤油,单位 ;和[O₂)是氧的摩尔浓度,单位 。其他参数的具体值如表所示1。

第二部分是多步化学反应机理(9组件和14-step化学反应),这是由(13,14]。化学反应速率通过计算

公式中的参数的具体值如表所示2作为第三个载体,M不参与化学反应。

2.3。湍流燃烧模型

采用可压缩Reynolds-averaged n - s(跑)方程的计算来描述湍流流场。可实现的采用双方程模型,因为它可以更好地模拟大曲率和涡流和容易收敛,称为(15]。

涡流损耗/有限速率模型的计算中采用单步全球化学反应。涡流损耗的概念模型是采用多步化学反应的计算。为了有效地避免大的舍入误差指数前因子和活化能刚性机制,采用双精度解算器的计算,和完整的多组分扩散和热扩散。

2.4。驱散方程和解决方案

方程进行离散的有限体积方法,和二阶逆风方案采用。解算器的基础上,采用压力,算法庇索(运营商)的压力隐式分裂算法。

2.5。网格和边界条件

网格生成软件是用来处理三维引擎内部流场的计算区域,单喷嘴的流场引擎和双头喷嘴引擎;网格和边界条件数据所示1,2,3。为了节省计算资源,根据发动机结构的对称性和计算区域,引擎的内部流场计算与1/3对称,单喷嘴和双头喷嘴排气羽流流场计算与1/2对称。发动机结构所示(16),两个喷嘴轴之间的距离是1.5米,和安装角是6°。计算区域的单喷嘴和双头喷嘴排气羽流长度130米,半径15米,长度150米,半径15米,分别。

发动机内部流场的边界条件定义如下:质量流量入口边界是1.178公斤/ s和氧的混合比/煤油是2.4;引擎墙边界无滑动墙(参考液氧/煤油发动机冷却系统提供的设计要求(17]),发动机冷却过程简化为一堵墙温度800 K;和压力出口边界的300 K和101325 Pa。排气羽流的边界条件定义如下:质量流量入口边界是由发动机内部流场计算结果;压力远场边界的300 K和101325 Pa;和墙边界无滑动墙。

3所示。内部流场的计算结果和分析引擎

首先,网格进行独立验证消除网格质量对计算结果的影响。80万、160万和240万网格被用来计算国际液氧/煤油发动机燃烧流;80万网格的结果明显不同于从240万年160万年的网格和网格,最终确定160万年的网格,因为240万年的大型计算资源网格。内部流场的压力和温度分布获得使用160万网格由单步全球化学反应数据所示4(一)和4 (b);燃烧室平均压力为17.82 MPa, 0.68%大于17.7 MPa模型发动机测试,得到的结果是比较准确的。燃烧室的平均温度为5782 K, 51.71%大于3811.17 K计算的热力学计算模型发动机燃烧室;这是由于忽略多步吸热反应过程的中间时,采用单步执行全球化学反应。

内部流场的压力和温度分布多步获得的数据所示5(一个)和5 (b)。燃烧室平均压力为18.52 MPa, 4.63%大于17.7 MPa获得的模型发动机测试,和燃烧室的平均温度是3938.53 K, 3.34%大于3811.17 K计算的热力学计算模型的发动机燃烧室,所以内部流场的压力和温度的结果相对准确。

4所示。计算结果和分析发动机排气羽流流场

4.1。单喷嘴发动机排气羽流流场

首先,网格独立验证是使用30万,65万,65万和96万网格和网格用于考虑准确性和成本。内部流场计算的参数分布的单步化学反应作为入口边界条件,和羽流二次燃烧反应是全球化学反应还描述了使用单步执行。温度的分布、速度和反应速率在不同距离上的排气羽流流场截面轴线和对称平面数据所示6(一),6 (b),6 (c)。排气羽流气体从喷嘴喷射到空气环境的无限的地区;介质的空气吸的烟羽因为粘滞效应,动量和能量转换排气羽流和空气之间的交换媒介。因此,排气羽流的范围扩大和排气羽流的速度和温度都不断下降。首先沿径向方向,羽流温度与环境温度增加然后减少;羽流速度逐渐降低对环境的速度。第一个原因是排气羽流的动量转换天然气和空气混合,温度和排气羽流气体速度降低而增加;第二个主要原因是大量的能量释放,因为二次燃烧反应的发生当羽和空气混合,和混合区域二次燃烧反应的主要地区,导致温度大幅上升。

内部流场计算的参数分布多步化学反应作为入口边界条件,和羽流二次燃烧反应也被多步化学反应;温度的分布、速度和反应速率在不同距离上的排气羽流流场截面轴线和对称平面数据所示7(一)和7 (b)。羽流流场结构是一样的与一步化学反应模型计算,但整体柱的速度和温度显著降低;这是因为单步化学反应模型忽略了大量的吸热反应过程,从而导致温度急剧上升。化学反应速率的排气羽流流场如图7 (c),所有中间化学反应发生在整个羽流的核心区域,和激波分布是连续的;这是一个重要的区别多步化学反应模型和单步化学反应模型来描述二次燃烧化学反应。

单喷嘴参数分布的引擎通过不同的化学反应机制如图8;类似的羽流流场结构和相同数量的冲击波可以通过单步化学反应方法和多步化学反应,但前者的排气羽流的长度是8米长比后者(判断标准是温度对羽轴降低环境温度和速度在羽轴上减少对环境的速度),最高温度和最高速度为1269.47 K(后者的54.02%),和105.94 m / s(后者的3.96%)大于后者。原因如下:首先,大量的吸热反应过程被忽略,当采用单步化学反应;因此,获得更高的温度和速度。第二,排气羽流二次燃烧反应发生在不同地区采用不同的化学反应机制;因此,排气羽流场的温度和速度计算前者高于后者,和排气羽流流场结构也发生了变化。

4.2。双头喷嘴发动机排气羽流流场

首先,网格独立验证是使用47万,75万,75万和14亿网格和网格用于考虑准确性和成本。内部流场参数分布计算了单步化学反应作为入口边界条件,和羽流二次燃烧反应也描述了单步全球化学反应;温度的分布、速度和反应速率在不同距离上的排气羽流流场截面轴线和对称平面数据所示9(一个),9 (b),9 (c)。首先,每个的两个引擎排气羽流保持一个独立的激波结构,然后,随着轴向距离的增加,连续混合排气羽流与环境空气导致排气羽流的连续扩张;最后,两个排气羽流融化成羽流作为一个整体。二次燃烧的反应是最明显的两个排气羽流气体和空气之间的接口也两个喷嘴的十字路口羽交互。

内部流场计算的参数分布多步化学反应作为入口边界条件,和羽流二次燃烧反应也被多步化学反应。温度的分布、速度和反应速率在不同距离上的排气羽流流场截面轴线和对称平面数据所示10 ()和10 (b)。排气羽流流场结构获得类似于通过单步全球化学反应;然而,随着温度和排气羽流气体的速度计算的多步化学反应相对较低,排气羽流的范围慢慢随着轴向距离的增加,增加两个排气羽流之间的相互作用相对较弱,与计算结果充分反映的影响两个发动机悬置角度避免双发动机排气羽流之间的互动。化学反应速率的排气羽流流场如图10 (c),所有中间化学反应发生在整个羽流的核心区域,它不同于单步执行全球描述的二次燃烧反应化学反应。

采用不同的化学反应机制来描述燃烧反应双头喷嘴的流场计算引擎排气羽流流场的分布参数对轴图所示11;排气羽流的长度长于通过单步化学反应,通过多步化学反应,和最高温度和最高速度是1205.55 K(后者约108.81%)和271.76 m / s后者(大约47.71%),分别为。在结论,分析了双头喷嘴羽流流场特征或发动机支承结构在火箭身上,我们必须充分考虑化学反应模型的重要影响。

5。结论

本文的计算方法提出了液氧/煤油发动机羽流流场。首先,内燃发动机流场计算,得到了喷嘴喉部的参数的入口边界羽流流场模拟。然后,羽流流场模拟。该方法可以充分考虑内部燃烧状态的影响在羽流流场和避免重复计算引擎的内部流场在计算多喷管发动机的排气羽流。不同的化学反应机制的影响,对单喷嘴和双头喷嘴液氧/煤油发动机排气羽流的基础上,分析了方法。结论如下:(1)多步化学反应可以更准确而一步化学反应在液氧/煤油发动机内部燃烧过程的描述。(2)的羽流结构单喷嘴和双头喷嘴液氧/煤油发动机排气羽流与不同的化学反应机制是相似的,但羽流流场的长度基于单步化学反应时间,温度更高,速度更快。(3)双头喷嘴发动机羽流流场是由两套单喷嘴羽流流场。由于温度和速度分布的单喷嘴发动机羽流流场基于多步一步化学反应是完全不同的和基于多步双头喷嘴发动机羽流流场和一步化学反应是不同的。分析双头喷嘴羽流流场特征或火箭的发动机悬置结构体和化学反应的影响机制必须充分考虑。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

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