航天器发射场燃气导流槽流场数值模拟

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1、第32卷增刊南京理工大学学报(自然科学版)V01．32Sup三塑墨生12旦!竺竺型堕型型!!墨旦坐!!!!!堕型竺!!竺!!!!!竺丝坠!里壁兰型塾塑!!!．一旦坠2墅航天器发射场燃气导流槽流场数值模拟徐悦，周旭，张志成，刘利宏(总装备部工程设计研究总院，北京100028)摘要：航天发射场燃气导流槽设计中最重要的是优化导流槽气动结构设计，以使火箭地面点火时发动机喷出的燃气能够顺利排导出去。该文对火箭发动机燃气在导流槽中的三维湍流流场进行了数值模拟，仿真结果准确地预估了燃气射流在导流槽中的复杂流动，并对两种导流槽设计方案进行了初步技术评估。关

2、键词：航天器发射场；导流槽；射流；双时间步；预处理中图分类号：V430文章编号：1005—9830(2008)增刊一000l一05NumericalSimulationonGasnow-guidedChannelFlowFieldsofSpacecraftLaunchSiteXUYue，ZHOUXu，ZHANGZhi—cheng，LIU“一hong(CenterforE姆neeringDes咖andReseafch叽der妞HeadquaItersofA彻砌em，Beijing100028，Chi尬)Abstlmct：111emaindes

3、igIlobjectofgasnow—guidedch粕nelistooptimizetheae州ynamicco瓶gu·ration，sothatt}Ieg鼬f而mrocketen舀nec粕bedischargedsuccessfullywhenlaunchvehicleisfired．，I'llethree·dimensionalturbulentnowfieldsofgasnow—guidedchannelaresimulated．，11lere—sultsshowthatthecomplexnowpanemofthegasflowi

4、nthegasnow—guidedchannelispredictedcon．ectly．TWodesignschemesarepreliminaryeValuated．Keywords：spaceeraRladnchsites；gasnow—guidedchannels；jetnows；dual—times￡eppingschemes；preconditions导流槽是航天发射场的重要燃气排导工程设施，主要用于承受火箭发射时发动机喷出的高温、超声速燃气流的冲刷，将有毒气体迅速导向远离发射台的地方，防止燃气回火及燃气流冲向地面。危害火箭或地

5、面设施的安全。导流槽的质量好坏直接影响到火箭发射的稳定性和精度。为了在发射场建设前掌握火箭与导流槽的兼容性，需要对导流槽内的燃气流场特性进行细致研究，而为了节省计算时间和研究费用，有必要使用高效的数值模拟方法。本文采用单元中心有限体积法对火箭点火时的导流槽内燃气流场进行了数值仿真和设计方案的对比。控制体界面通量采用三阶精度TvD格式，引入双时间步和预处理方法提高计算效率⋯，湍流模型采用q一∞双方程湍流模型，离散的方程组采用对角化ADI算法求解。收稿日期：2008—06—07修回日期：2008一ll—13基金项目：中国博士后科学基金项目(20

6、080431377)作者简介：徐悦(1979一)，男，辽宁沈阳人，博士，主要研究方向：航天射流动力学及气动声学，E—mail：枷”e@强．bu昭．edu．en。2南京理工大学学报(自然科学版)第32卷增刊1数值方法1．1N—S控制方程组根据火箭发动机喷射试验，把发动机燃气射流简化为粘性的可压缩理想气体，不考虑化学反应和热损失。三维笛卡尔坐标系下的非稳态时均N—S方程组可写成嵋1票+萼+譬+誓：￡(Q。)+日(1)atax、。。‘。、’式中：Q=F=E=G=日=Q。=[p，Ⅱ秽埘丁g∞E]11，’s，=弓纠[c：嘭s／珊一∞(1+孝+，(M)

7、)一专—D]，’s。=p[c。(qs一专—D∞)一(cj一亭+F(M))∞2]式中：L(Q。)为粘性扩散项算子，湍流模型采用了修正的q一∞双方程湍流模型[3J，g和ccJ分别为湍流速度(q=瓶)以及扩散率和湍流动能之比(∞=∥

8、

9、})，其它湍流参数可参考文献[3]。1．2双时间步和预处理方法当求解低马赫数亚声速流动时，往往会因为对流通量雅各比矩阵的条件数较大而使求解效率降低，因此采用预处理方法【4】，在方程组左端添加一个虚拟时间导数项，虚拟时间项的预处理过程用矩阵J1来表示，用于优化内部迭代收敛性能。广义坐标系下的双时间步预处理非定常N—S

10、方程组如下r訾+雩+譬+嬖+辔：纵Q。)+詹(2)ara￡a亭a田af∥、‘7。7、71．3离散和求解过程应用欧拉隐式离散。得到(J1+》+△f等+△f等+△r鲁)△Q。=也(3