环喉型塞式喷管的数值仿真研究

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1、第36卷第6期2010年12月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPUl5IONV01．36．№．6Dec．2010环喉型塞式喷管的数值仿真研究柳长安，邹宇(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：通过流场数值仿真计算方法对环喉型塞式喷管进行了研究，对比计算了不同外流条件下塞式喷管的流场结构和性能。分析表明该塞式喷管的结构方案独特，具有稳定的高空高速性能，与传统的钟型喷管相比低空性能更优异。关键词：塞式喷管；流场；数值仿真；N—S方程中图分类号：V430文献标识码：A文章编号：1672—9374(2010)06—00

2、01—05NumericalsimulationofanannularthroatplugnozzleLIUChang—an，ZOUYu(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abmaet：Anannularthroatplugnozzleisstudiedbythecalculationmethodofflow-fieldnumer-icalsimulation．Theflow—fieldstructuresandthecharactersoftheplugnozz

3、leundertheconditionofdifferentfreestreamsarecomparedandcalculated．Thestructuredesignoftheplugnozzleisunique．Theanalysisshowsthattheplugnozzlehasstableperformanceathi91laltitudeandhilghspeed，andhasmoreexcellentlowaltitudeperformanceincomparisonwiththebellnozzle．Keywords

4、：plugnozzle；flowfield；numericalsimulation；N—Sequation0引言具有塞式喷管的发动机能够自动适应飞行高度变化，并且具有长度短、重量轻、成本低、经济效益好、可靠性高和便于实现推力矢量控制等优点，但是由于塞式喷管流场是一个具有激波、膨胀波、漩涡、分离等复杂物理现象的三维流场，常规的特征线法难以准确描述，故随着流场数值仿真(CFD)技术的发展，越来越多的相关研究和设计工作已通过CFD方法进行。本文采用CFD技术对环喉型塞式喷管进行了相关的流场计算和分析，研究了这种环喉型塞式喷管的特性。1塞式

5、喷管的结构塞式喷管的结构可以有多种变化形式，如环排型、直排型、环喉型、瓦状结构和矩形结构等，可以根据总体需要合理选择，如美国的x一33计划采用了直线型塞式喷管，而在2007年美国提出的网络中心机载防御系统(NACDE)-"级收稿日期：2010-08—05；修回日期：2010-08—27基金项目：国家航天技术支撑项目作者简介：柳长安(1974一)，男，博士，研究领域为液体火箭发动机总体设计2火箭推进2010年12月控制发动机中则采用了环喉型塞式喷管。本研究中的环喉型塞式喷管参考了文献【5】中喷管的结构特点，其部分结构尺寸如图1所示。．

6、谚121．6079．9．．’出口巡勒笏．外拐殇∥n兰I叠，彰黝、IY／／／／／I葛獭示_￡／／／／勿(瓜X／／，掣／／／／∥／n入钐＼卜l至2：／＼0117．8．。一彩137．3～一图1环喉型塞式喷管结构图Fig．1Structureofannularthroatplugnozzle2计算模型和方法2．1计算模型环喉型塞式喷管是轴对称结构，因此可将仿真计算简化为二维轴对称模型进行仿真计算，而在任意坐标系售，功下的控制方程可以表述为警+等+筹收古(等+鲁+S，)(1)式中：芒，-∥p，pu，pv，e)7；E和F分别是对流项通量；E和凡

7、分别是粘性扩散项通量；S和s，是轴对称源项，对于二维平面流动这两个源项为零；I，是变换雅可比；Re为雷诺数。2．2计算方法采用有限体积法对该式进行空间离散并求解可以得到流场数值解，求解过程中对流通量项采用一阶迎风格式进行离散处理，粘性扩散项用二阶中心差分，时间推进采用了时间分裂技术。计算过程中不考虑化学反应、非平衡流动及多相流动。边界条件取法为：喷管进口参数取成主流条件，远场边界参数取成自由流条件，如图2所示，而流场计算网格的局部放大如图3所示。喷图2流场边界条件Fig．2Boundaryconditionofflowfieldfo

8、rcalculation图3计算网格局部放大Fig．3PartiMlymagnifiedted3结果分析喷管压比(NPR)决定了喷管的工作状态，其定义为总压与背压之比。为了方便对照大气高度环境的影响，在表1中列出了背压和温度条件随高度