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尾喷管案例流固耦合仿真分析1.计算模型及技术路线1.1 计算模型介绍图1为涡轮增压发动机工作示意图,高速气流经过燃烧室燃烧,生成的高温气流经过喷管的加速产生推力,推动飞行器高速飞行。在冲压发动机工作状态下,涡轮发动机尾喷管的隔板向上关闭,构成冲压发动机尾喷管的一部分。图1 涡轮增压发动机工作示意图图2是简化的尾喷管结构图,飞行马赫数为4,高温燃烧气体通过尾喷管扩张段后膨胀加速,提供飞行动力。在喷管前端表面布置有气膜孔,气膜孔向喷管内部吹高速低温气体,在管壁面生成一层气膜,防止壁面高温燃烧。图2尾喷管示意图尾喷管几何尺寸如图3所示,气膜孔直径为1mm,管壁面厚度为3mm。图3 尾喷管几何尺寸图1.2 技术路线由于计算条件不足,许多参数需要查阅资料,或通过理论/数值计算得到,赋值到尾喷管计算的对应边界中。在考虑尾喷管热计算中,由于整流罩与喷管的热交换明显,而整流罩的计算参数(如温度、换热系数等)不详,首先通过整流罩的气动热计算,得到一个相对可靠的参数,然后进行尾喷管的仿真计算。技术路线流程图如图4所示。技术方案大纲详见“高超声速飞行器发动机尾喷管多场耦合仿真技术方案.doc”。自上而下进行分析计算,确保每个流程计算的合理与准确。图4 技术及计算流程1.2.1气膜孔处理方法尾喷管气膜孔孔径约1mm,相对整个模型,尺寸相当小,如进行实际网格划分,会带来巨量的网格,计算资源耗费巨大。对于此问题,经过查阅相关资料,对气膜孔采用点源处理,设定气孔坐标及相关计算参数进行计算即可。CFX点源需要设置的参数如下:1.Total Source2.Temperature3.Turbulence Kinetic Energy4.Turbulence Eddy Frequency5.Velocity根据调研的参数,进行了吹风比分别为0.5和1工况下的计算,从图5可以看出,该种工况下,吹风比为0.5的情况下,气膜孔对周围下游有明显的降温效果,但未形成整体的薄膜效果。吹风比为1工况下,喷管整体壁面形成了较均匀的薄膜,对壁面起到了较好的降温效果。(a)吹风比为0.5情况下,喷管前端表面温度分布(b)吹风比为1情况下,喷管前端表面温度分布图5 气膜孔处理计算案例结果由于仅是方案调研,因此没有设置太多的气膜孔及详细的分析。对于实际工程仿真需求,鉴于气膜孔数量较多,会采取脚本的方式进行气膜孔参数设定,CFX中脚本ccl文件格式如图6所示。对于之后研究不同气孔布置,不同吹风角度等对冷却效果的影响提供了便捷的实现方式。图6 CFX的ccl脚本文件1.2.2 整流罩气动热计算由于整流罩与机身相连接,整流罩处于机身的尾流中,单独对整流罩进行气动热计算,计算结果直接赋值给喷管整体模型的计算中是不合理的。鉴于没有具体的参数,对整流罩在飞行包线为H=25km,Ma=4工况下进行气动热计算,提取整流罩壁面的平均温度作为尾喷管计算的边界条件。对于气动热的计算,会根据实际需求进行详细计算分析。2.算例验证为验证数值模拟方法的准确性,选择NASA试验模型进行结果对比,模型几何尺寸如图8所示。喷管高度15.24mm,喷管进口马赫数Ma=1.78,总温475k,总压172kPa,外部自由来流马赫数Ma=6,静温658.29268k,静压1596.07Pa。参考论文5。图8验证算例喷管结构简图网格及计算边界如图9所示,边界层第一层厚度为0.01mm,总网格数约为67000。图9 喷管及计算域网格图10 文献中静压分布及马赫数分布(a)静压分布云图(b)马赫数分布云图图11 fluent计算结果从图11与图10的对比可以看出,静压及马赫数分布与文献基本一致,计算合理从图11(b)可以看出激波的产生位置,剪切层及斜激波。取单边膨胀喷管长边的壁面压力系数与实验结果进行对比,如图12所示,仿真计算结果与实验误差稍大。可能的原因有计算差分格式精度问题、计算条件与实验存在一定的差异等。后期会对CFD的计算精度进行详细的分析。图12 壁面压力系数仿真与实验结果对比3.计算结果处理分析3.1计算边界条件采用CFX进行喷管可压缩流体场计算,喷管亚声速入口速度为240m/s,静温为1211k。计算域左端的超声速入口边界条件速度为1116m/s,静温为216.7K。计算域右端为超声速出口边界。计算域两侧给定对称边界。计算采用k-w SST湍流模型,高阶差分格式,初始化速度为1116m/s,温度216.7K。尾喷管外壁面与整流罩内壁面形成的封闭区域按流体域处理,该流体域左侧给opening边界进行计算。结构材料采用钛合金,具体参数根据查阅的资料进行确定如下。表1 钛合金物性参数导热系数15w/m*k弹性模量110Gpa密度4.4g/cm3线膨胀系数7.89E-6泊松比0.33强度1.012Mpa比热容0.52J/(K
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