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时间:2019-11-26
《0.5N模型发动机羽流撞击效应的DSMC模拟》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在学术论文-天天文库。
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
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