0.5N模型发动机羽流撞击效应的DSMC模拟

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1、第4期摘要使用自开发的PlumeWorkStation(PWS)软件对推力0．5N的模型发动机羽流撞击效应进行了三维直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)的模拟，得到了羽流场的压强、温度，马赫数等物理参数及羽流对挡板的撞击效应。结果表明，发动机羽流场压强在喷管出口处最高，随着气流向真空中扩散而降低；气流沿着发动机出口呈放射状流向挡板，喷流撞击到挡板上发生反射；由于核心气流对挡板的撞击，在发动机轴线与挡板的交点处压强较高，以该交点为圆心，板上的压强分布具有对称性，且沿径向逐渐减小。1引言关键词DSMCPWS软件羽流撞击效应分类号V416．5文献标识码A文章编号1674—5825(2011)04

2、—0043—05航天器的姿态控制往往利用姿态控制发动机来进行调节，发动机喷出的羽流会对流场中的航天器带来羽流污染、气动力、气动热效应等影响。羽流污染可能会导致航天器上敏感原件无法正常工作，甚至影响航天器的寿命，所以研究羽流的撞击效应就显得非常重要。国外对羽流撞击效应的研究开展较早，1986年德国的Dettleff试验研究了模型发动机羽流场Ⅲ；1984年法国的Allegre，在SR3风洞中测量了羽流撞击平板的气动力效应闭；1990年Legge测量了羽流撞击倾斜挡板的气动力Ⅲ；Boyd等人在1992年对低密度喷管流动和羽流场进行了试验研究和数值模拟141。在实验研究的基础上，国外还进行了

3、相关数值模拟研究，1985年Legge等人对卫星模型发动机的羽流场和羽流撞击效应进行了数值模拟嘲；2002年Park数值模拟了羽流和卫星的相互作用旧。国内由于试验条件的限制，研究工作主要集中在数值计算方面。本文采用自开发的PWS软件，对推力0．5N的模型发动机进行了羽流撞击效应DSMC模拟。工质为CO：。首先，对流场的压强、温度、马赫数、流线图等进行研究；然后，对挡板压强及羽流污染情况进行了分析。2DSMC方法及PWS软件介绍DSMC方法的基本思想是：利用少量的模拟分子代替真实流场内数目众多的气体分子，用计算模拟实际物理过程，即对模拟分子进行跟踪，记录它们的位置和速度的变化，计算分子

4、之间，分子和物面间的碰撞，再经统计平均，获得所需的各种流动参数。DSMC的基本假设是：模拟每个网格中的分子间的碰撞时，忽略分子的具体位置。基于DSMC的PWS软件的主程序包括网络模块、粒子参数模块、粒子进人模块、粒子运动及边界模块、粒子碰撞模块、并行模块、统计输出模块共七大模块。在这七大基本模块的基础上，针对各种实际问题，PWS羽流计算软件都可以方便的搭建数值模拟应用平台[71。来稿日期：2011_0鲫6；惨网日期：201l-06-26。作者简介：王倩(1987．12一)，女，硕士研究生。研究方向为真空羽流效应研究。43载人航天2011年第4期基础研究PWS软件是根据模块化和面向对象

5、的原则对DSMC计算程序进行改进，具体如下：(1)使用松散的软件架构保证各个计算模块的相对独立性，即改进其中一个模块时，基本上不需要改动其他模块；(2)对各个模块的功能实现采用通用性设计，即在使用单／多组分分子、不同分子模型、不同固体边界条件时不需要改动源代码。使用图1的步骤生成所需边界条件，这样可以将粒子一固体边界处理归结到几种基本类型，可以方便的实现通用性设计。(1)定义几种常用的平面和曲面(直线)构成基本元素；(2)使用多个平面或曲面相交构成凸多面体；(3)使用多个凸多面体来构成最终的复杂边界。图1边界生成过程说明3计算模型本文采用推力0．5N模型发动机，边长300mm方形挡板

6、，工质为CO：，总压Pc=8000Pa，总温Tc=900K，环境温度为300K。3．1物理模型发动机与挡板空间位置如图2所示，设定X轴为对称轴。发动机轴线经过挡板中心，a--O．1m，角度to---0。，n=m=300mm，h=0．1mm，Dt=O．6mm，De=4．7mm。。^^，一、、。t、J、l—a．l}一f，、；薯一⋯⋯～．i一≮，Jr‘、●、J图2发动机与挡板空间位置3．2边界条件DSMC粒子人口条件：以0．5N发动机出口截面为粒子人口截面，模拟粒子选取CO：。真空边界：认为粒子逃逸，即粒子经过边界后注销。粒子人口截“面参数分布如图3至图6所示。图3为粒子人口密度分布图，图

7、4为粒子入口温度分布图，图5为粒子人口轴向速度分布图，图6为粒子人口径向速度分布图。：、吕玉_、．一越却：、I岍唇V越稍星暴，．、回、一{趑赠半径(m)图3粒子入口密度分布图半径(m)图4粒子入口温度分布图半径(m)图5粒子入口轴向速度分布图散而降低。在轴线附近一椭球形区域内，温度较低，图10流场马赫数分布图45载人航天2011年第4期基础研究图11流线图马赫数较高；而在这个椭球形边缘的附近，由于从发动机喷出的气流和反射气流相遇，造成局部温度的升高，马赫数