长二丙改上面级CPKM发动机喷管两相粘性流动数值模拟.pdfVIP

“长二丙改”上面级CPKM发动机喷管 两相粘性流动数值模拟 许鹏梁国柱黄喻路 赵永忠张立群 (北京航空航天大学宁航学院北京100083) (航天科工集团公司穴院四十一所内蒙古呼和浩特OL0010) 摘要：本文对“长二丙改”火箭上面级CPKM发动机喷管的高空性能进行了预示．气相采用显示 MacCormck差分格式，颗粒相采用特征线法，数值求解轴对称二维两相粘性流动模型．对CPKM发动机 喷管进行数值模拟所得的发动机平均推力与实测性能数据相比较相对误差为2．3％．研究表明所采用的 流动模型和数值方法对发动机喷管性能进行的工程预示是有效的。 主题词：火箭发动机喷管，两相流，数值模拟，性能预测 1 引言 对于高空工作的发动机而言．由于地面试验时喷管的工况与高空工作时的工况显著不同，因而造成 地面试验取得的性能数据不能反映高空工作时的发动机性能。若采用高空台测试发动机的高空性能，则 因为试验费用昂贵而只能做极少次数的发动机试验，而且模拟高空的能力也有限，因此采_}}j合适的流动 模型实现对高空喷管性能的精确预示就显得非常重要。由于发动机地面和高空工作环境的不同主要影响 到喷管内的流动状态．因而可以认为两种工作环境F同体火箭发动机燃烧室的J二作过程参数和喷管入口 燃气热力特性基本相同，因此可以利用地面静止试验所获得燃烧室压强等的数据．来研究喷管在高空工 况F的性能。为此，本文针对“长二丙改”火箭上面级cPl(M发动机?，用数值方法进行了喷管高空性 能的预示研究，并与高空模拟试验所得的实测性能进行了比较。 2轴对称喷管气体一颗粒两相粘性流动数值模拟方法 CPII～[发动机的推进荆中添加有铝粉，致使推进剂燃烧产物中存在大量的凝相颗粒．形成了喷管中 比较复杂的气体一颗粒两相流动．而固体火箭发动机喷管两相流损失约占喷管总损失的113～1／2，为 了能准确的预示固体火箭发动机的性能，需要研究两相流的数值模拟方法。同时实际流动中粘性对流场 的影响十分显著，所以流动中的粘性损失也是不可忽视的。本文考虑的是均一颗粒尺寸的轴对称两相粘 性绝热流动，忽略两相之间的质量交换、体系的质量力和颗粒所占的容积，体系内部也不存在化学反应。 控制方程为 I塑+塑+塑+一H：0一I——+——+一+=l西 缸 却 I爿等+丑等吗=。出 删 156— 『P I m 其中U=I 鬈 H= F= ，打 in2 ——+p—t“ p mrl ’叫* (!±旦2竺一EraU--TxyV+qx p 要一二边+D_终 Y 。j (P+p)n gyxU+f拶V PY Y A= U p p p 0 0 0 Up 0 0 0 0 “，0 0 0 0 U， G= 了一～ H2 ‘‘p一1w 塑业一7∥一％¨口， P 。 。。 。 +专一Ppqp+Pp‘X。uv+X一。 ，B= ”，0 0”， 0 0 0 0 PP 0 0 0 ?P 0 0％ p≯9 V —X x 一石。 吼 嘞=一；o+所{尝+考+罚+zo+所)考， ‰=一吾(∥+∥，)【罢+多+；)+zo+∥r)；， k一弘所悟考+*帅r癌， 铲矿咖r悟万au] 旷一Aa咖T“卅罢 两相间的相互作用相为 爿：=Ap(“一“p)，爿j=Ap(V一％)，gF=一Bp(r一‘) 甘由 p p “p v p ％ 一157一 以P岬 。一y 一 旦y蒌|∥ 铲詈岳t驴器 完全气体状态方程为 p=(≈一11 e—i1 P02+V2)l 颗粒温度乃与颗粒的焓砟有关，弓=厂(％)”1· 以上式中p、P、T、“、v、m、”和P分别为气体的密度、压力、温度、轴向速度、径向速 度、轴向动量分量、径向动量分量和单位体积的总能量：Pp、Pp，‘、Up、～、hp和Cpt分别为颗 粒相的密度、压力、温度、轴向速度、径向速度、焓和比热：t、Y、x分别为时问坐标、径向坐标和 轴向坐标；t、旯分别为气体的比热比和导热系数。卢、，々分别为气体的分子动力粘性系数和湍流粘 性系数，其中，气体分子动力粘性系数／z可由萨瑟兰(C．D．Sutherland)公式给出”’：湍流粘性系数 肼将由湍流模型给山，计算时通常使用Baldwin-Lomax两层模型。’，该模型简单方便，在计算中较易 实现。 在边界条件的处理上，入口边界和出1：3边界与其他模型类似”’，这里不再列出；壁面边界条件由于 考虑了粘性所以采用无滑移条件。 轴线上由于控制方程有旦型的问题，必须要用罗必塔法则进行处理。为了便于编程，内部点和轴线 0 上的点在计算平面上共用下面的控制方程： 型+望+塑+h：0一一+——+——+=￡糖 a善 a叩 毒时西：JU，F=y1F—bx,7G·G=一y|F+bxp，A：dlH·J。x{yq—xqy{， G= ——一t” p 。 j一1w士cj p+ct。1舶 垃一zyxu--fyyY+。 P 。