具有摆动喷管发动机三维内流场数值分析

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1、2011年第6期导弹与航天运载技术No．62011总第316期MISSI[。ESANDSPACEVEHICLESSumNo．316文章编号：1004-7182(201I)06-0015-05具有摆动喷管发动机三维内流场数值分析周红梅，黄志勇，李季颖(海军航空工程学院，烟台，264001)摘要：分析了喷管摆动对发动机内流场的影响，针对喷管摆动情况下的流场特点，采用动网格技术及用户自定义(UDF)编程，实现与喷管摆动相对应计算区域的实时变化，并对具有摆动喷管的发动机三维内流场进行了数值模拟，得到了发动机内流场的详细情况。关键词：固体火箭发

2、动机；摆动喷管；动网格技术；数值模拟中图分类号：V43文献标识码：ANumericalAnalysisof3一DInternalFlowFieldfortheMotorwithSwingNozzleZhouHongmei，HuangZhiyong，LiJiying(NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity，Yantai，264001)Abstract：Accordingtothecllaractersoftheflowfieldinthecaseofnozzleswaying，dynami

3、cmeshandUDFprogrammingtechnologyareusedtorealizethereal-timechangingofthecalculatingm'eacorrespondingtonozzleswaying．Thispapersimulatesthe3一Dinternalflowfieldforthemotorwithswingnozzle，obtainsthedetaileddistributionabouttheinternalflowfieldforthemotorandanalysestheeffec

4、tonthemotor'sinternalflowfieldwhenthenozzlesways．KeyWords：Solidrocketmotor；Swingnozzle；Dynamicmeshtechnology；Numericalsimulation0引言随着科技的发展及战争对导弹性能要求的不断提高，推力矢量控制技术在提高导弹控制性能方面发挥着越来越霞要的作用。摆动喷管是实现发动机推力矢量控制的有效方案之一，被广泛应用于各类导弹的动力装置一l=111。然而由于摆动喷管的偏转，发动机喷管内部流场结构将发生变化，燃烧室内流场及发动机

5、推力也会随之改变，从而影响发动机的工作状态，而且随着喷管偏转角的增大，这种影响就会越显著【2’3】。因此，详尽掌握具有摆动喷管发动机三维内流场的结构及流场分布特性对于发动机设计、工作过程研究及性能预测等方面都具有莺要的意义。本文以CFD方法为基础，以具有摆动喷管的固体火箭发动机为背景，对其具有三维复杂装药外形和矢量喷管的内流场进行了数值模拟，得到了发动机内流场的详细情况。l控制方程与数值方法1．1控制方程流体动力学的控制方程表示成通用形式为14J掣掣+div(p牙妒)：div(厂grad妒)+S(1)口J式中妒为通用变量，可以代表“，

6、v，w等求解变量；P为流体密度；厂为广义扩散系数；S为广义源项。同时，引入了标准k．￡湍流模型，并采用标准壁面函数来模拟近壁面区的流动。为解决喷管摆动引起流场计算区域变化的问题，本文采用动网格技术来处理数值模拟中计算区域随时间推移而运动变化的流场计算。在动网格体系下，守恒型控制方程的积分式通用格式为【5Jdf：dV+I，却(露一靠)dj=L(Fgrad妒)dJ+Isd矿(2)式中V为任意控制体积；露为流体流动的速度矢量：毪收稿fJ期：201I-04·15：修【口l口期：201I-10—17基金项日：总装“十一五”预研项目(513280

7、40207)作者简介：周红梅(1972．)，女，硕士，副教授，主要从事发动机l=作过程数值仿真研究为移动网格的移动速度；Or"为控制体积的边界。拟，得到相应的计算结果。1．2数值方法3．2．1喷管入El及燃烧室尾部处的流场分析采用有限体积法作为控制方程的离散方法，方程图4表示喷管入口及燃烧室尾部流场的模拟结果。求解时采用分离式解法。2网格划分采用块结构网格划分法和多种网格拼接技术实现整体网格的划分，共计1505504个网格单元，并应用动网格技术及UDF编程，实现了与喷管摆动相对应计算区域的实时变化。具体划分的网格如图1～3所示。图1计

8、算区域的网格划分再习《逦删■：_图2对称面的网格划分图3燃烧室尾部的网格划分3数值模拟及结果分析3．1边界条件的选择选择并设置的边界条件有：流动进口边界条件、壁面边界条件及流动出口边界条件。a)流动进口边界条件的处理。在