超声速底部喷流干扰流场数值模拟

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第23卷第4期空气动力学学报Vo1．23．No．42005年12月ACTAAERoDYNAMICASINICADec．．20o5文章编号：0258．1825(2005)04．0516．02超声速底部喷流干扰流场数值模拟林敬周，李桦，范晓樯，田正雨(国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073)摘要：数值模拟了不同马赫数，不同喷流压比下的轴对称超声速底部喷流干扰流场，采用Lu隐式算法进行数值求解并引入了Baldwin．Lomax代数湍流模型。采

2、用分区网格将弹身与底部区域合为一个整体进行计算，得到了清晰的流场结构和弹体表面及底部的压力分布，并与试验结果进行了比较。数值模拟结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂，有、无喷流时底部流场有很大不同，喷流对底压分布有明显影响，进而对轴向力系数影响显著。关键词：Navler-Stokes方程；有限体积法；OC．TVD格式；NND格式；底部喷流中图分类号：V211．3文献标识码：AIDpuO引言』D“2+PpuQ=rE=r运载火箭或战略导弹在主动段飞行时的气动特pvpuv性，对其弹道、载荷以及控制系统

3、等起到极为重要的pepuh作用。当级间可靠分离后二级以超声速飞行时，高空0pu飞行环境压力低，作为飞行动力主要来源的发动机底puv0F=r日=部喷流过度膨胀，与外流相互干扰，形成了具有附面2+Pr舶层分离、剪切流动、激波干扰、旋涡等结构的复杂干扰pvh0流场，从而对弹体底部和喷流附近流场的流动产生较大的影响，底部喷流干扰对弹体气动力特性的影响是=r=判定导弹能否稳定飞行的关键。国内外对此进行了大量的研究，美国五十年代就r舶：+tJr"+g￡r+tJr，r+g进行了底部喷流干扰的试验研究⋯，随着CF

4、D的发式中P、“、、埘、P、e和h分别为流体的密度、速度笛展与广泛应用，特别是20世纪80年代以来，一系列卡儿坐标分量、压力、单位质量总能和总焓。、r激波捕捉能力较强的TVD格式相继出现，使得数值r鲫为应力张量的分量，、gr为热流通量。模拟能够更清晰地反映出流场结构及干扰影响【2]，本方程(I)利用有限体积法离散求解，采用半隐离文旨在通过对超声速底部喷流干扰流场的数值模拟，散，即对无粘项作隐式求解，而对粘性项仍然采用显准确反映出喷流干扰流场结构及喷流对底部压力的式求解的方法。其具体形式如(2)式：

5、影响特点。1基本方程与方法告·A麓A鸡+1．一A：t一ji’·8Qit．i—Ait-一tl、_．i’·8Qti+B．+．nJ

6、1li·‘8Qt．。ji+控制方程为柱坐标系下基于Favere质量加权平-tl+’均的守恒型无量纲化轴对称Navier-Stokes方程：，+l一曰{’，一l一曰i-，tl一{’，』aaQt十a+十筹ar+十日：=a+十等ar＼(1)，=RHS+RHS(2)其中：收稿日期：2004．07．05；修订日期：2005-01．13．作者简介：林敬周(1976．)，女，辽宁沈阳人，

7、硕士研究生，流体力学专业维普资讯http://www.cqvip.com第4期林敬周等：超声速底部喷流干扰流场数值模拟5l7其中于减弱。为排除网格密度的影响，本文以第五种情况下的计算网格进行计算，并引入B．L代数湍流模型。RHS=一(El+{，一巨一{，，+{一J-{)1．0RHS=((E)+i1，，一()一寻，，+——◆一I25×2O——·一II3O×3O—-1卜_一IIl45×450．8()+{一()f．J一{)——'一IV65×65—V92×92-Exp．Data啻=E·n+F·《O．6F=

8、E。n：+F’，哆0．4=·／'t+·／'t：=’n2+’nO．2A=嚣=y式中为面元面积n、、、n为几何特征图l有喷时底压分布随底部区域网格数量的变化(^f．=1．96)量。Fig．1Radialbasepressuredependedonddensity(^f。=1．96)对于上述离散方程采用LUSGS方法求解，其中无粘通量RHS无喷流时采用二阶OC．TVD格式[3l。表2底部区域五种不同网格数量有喷流时采用二阶NND格式[引，粘性通量RI-IS~采用Table2Fivediferentgri

9、dnumbers中心差分格式，并使用了Baldwin．Lomax(B-L)代数湍流模型。为了能更为准确反映底部喷流对外流的干扰，本3．2流场分析文将导弹的喷流／绕流合为一个整体进行计算，由于一体计算，外形结构相对复杂，因此采用了分区网格，本文以M=1．96为例说明流场结构特点：无喷共分3个区。流时，由图2压力等值线及流线图和图3马赫数等值2数值模拟条件线图可以清晰地看到头部激波、绕拐角的膨胀波。及由弹体表面附面层在尾部90o拐角处分离发展而来的本文选择有试验数据资料的带超声速底部喷