超声速环形蒸汽引射器凝结流场数值研究

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1、2010年第l期导弹与航天运载技术No．12010总第305期MISSILESANDSPACE咖CLESSumNo．305文章编号：1004-7182(2010)01．0039-05超声速环形蒸汽引射器凝结流场数值研究刘泽军，胡小平(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙，410073)摘要：采用时间相关法将描述湿蒸汽凝结流动的气．液两相控制方程进行耦合求解。采用Moses等提供的实验数据对缩放喷管算例进行了数值校验，验证了数值模型的可信度和准确性．在此基础上，对蒸汽引射流场内的水蒸汽凝结问题进行了数值仿真，

2、结果表明：适当地提高引射总温、降低引射总压，可以减少流场中蒸汽的凝结量，同时也能降低凝结带来的性能损失。关键词：超声速环形引射器；湿蒸汽；凝结；数值模拟中图分类号：V41文献标识码：ANumericalShnulationotheCondensationFlowF‘’dofNumericalSmmlatinthe0natlonowieldot0AnnularVapourSupersonicEjectorLiuZcjun，HuXiaoping(SchoolofAerospaceandMaterialEngin

3、eering，NationalUniversityofDefenseTechnology，Hunan，410073)Abstract：Thetime·dependentmethodofcomputationalfluiddynamicsisappliedtosolvethecontrolequationsofgasphaseandliquidphase，whichdescribeswetsteamcondensationflow．Quantitativevalidationofthenumericalmod

4、elisaccomplishedbyusingthetestdatabyMosesandtheresultsshowedagoodagreementbetweennumericalsimulationandtest．Then，thesubscalehotsteamejectingsystemispreliminarilydesignedandpredictednumerically．Theresultsshowthataincreasedvapourtotalpressureandadecreasedvap

5、ottrtotaltemperatureproperlyCandecreasethemassfractionofcondensationwaterandreduceperformancelossofsteamejectorwithcondensation．KeyWords：Annularsupersonicejector；Wetsteam；Condensation；Numericalsimulation0引言超声速环形引射器不仅具有一般引射器的结构简单、体积小、反应迅速等特点，而且由于引射气流由环向进入，简

6、化了流道内的结构，在某种程度上提高了引射效率。因此在航空航天、军事和国防、国民工业等领域得到了广泛的应用。如果采用高温高压水蒸汽代替压缩空气作为引射气源的优点不需要庞大的空气储存系统，风洞运行成本相对较低。目前，由于上面级发动机高空状态地面模拟实验的需求，对超声速风洞的引射能力要求也越来越高。因此，环形蒸汽引射方案也正受到关注。湿蒸汽两相流动问题比较复杂，与空气相比，水蒸汽热力学参数受当地温度和压强的影响较大，在高速流动中由于温度和压强的急剧变化，可能会有大量凝结发生，其释放的凝结潜热可能产生凝结激波。目前

7、的实验手段和方法，很难全面地揭示湿蒸汽两相流动问题复杂的机理。为此，采用数值模拟成为研究湿蒸汽流动问题的另一重要途径。1数值仿真模型本文研究的是超声速环形蒸汽引射器，流体介质是水蒸汽，为非理想气体，主要研究过热蒸汽超声速膨胀时的冷凝问题。由于环形引射器的几何结构和流场结构是轴对称的，因此，采用的控制方程为二维轴对称雷诺平均N．S方程，湍流模型采用了标准的k。占双方程模型。由水蒸汽凝结理论可知，蒸汽自然凝结包括两个过程：首先是形成临界尺度的凝结核，其结核速率用．，来表征；其次是凝结核的增长，由核的半径变化率d

8、r／dt来表征。描述结核率和凝结核增长的经典模型分别是Wegener(1969)的CNT模型和Hertz—Knudsen模型。环形引射器结构如图1所示，包括环形超声速喷收稿日期：2009-08．12作者简介：刘泽军(1983一)，男，硕士研究生，研究方向为航空、宇航推进技术40导弹与航天运载技术2010年管、混合室、二次喉道和亚声速扩张段。喷管设计马赫数Ma=2．5，喷管出口面积与混合室入口面积之比A=0．4；混