不同膨胀状态下拉瓦尔喷管内耦合传热数值研究-论文.pdf

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1、固体火箭技术第37卷第4期JournalofSolidRocketTechnology不同膨胀状态下拉瓦尔喷管内耦合传热数值研究①刘锐，陈雄，周长省，李映坤(南京理工大学机械工程学院，南京210094)摘要：为研究不同膨胀状态下拉瓦尔喷管内流场结构及壁面传热特性，开发了一套耦合传热程序。流体区域和固体区域的控制方程均采用Navier—Stokes方程，计算方法为基于格心的有限体积法，湍流模型采用k-r．oSST模型，通过保证流固耦合界面上的热流密度连续，实现耦合传热。验证该耦合传热程序后，对处于不同膨胀状态下的喷管进行了数值模拟。计算结果表明，过膨胀状态下喷管产生流动分离，分离点

2、附近的对流换热增强，而在之后的绝大部分区域内气体是对壁面进行冷却，但冷却强度较低。当地对流换热会随着喷管入口压力的增加而增强。关键词：喷管；不同膨胀状态；耦合传热；流场结构中图分类号：V435．1l文献标识码：A文章编号：1006—2793(2014)04—0480—06DoI：10．7673／j．issn．10o6—2793．2014．04．009NumericalstudyontheconjugateheattransferofalavalnozzleunderdiferentexpansionstatesLIURui，CHENXiong，ZHOUChang—sheng，LI

3、Ying—kun(SchoolofMechanicalEngineering，NamingUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210094，China)Abstract：Aconjugateheattransfer(CHT)codewasdevelopedtostudytheflowstructureandheattransferofanozzleunderdifferentexpansionstates．Navier—Stokesequationswereusedtogovernbothfluidandsolidregions，cel

4、l—centerbasedfinitevolumemethodwasadoptedtosolvethegoverningequations，andk-wSSTmodelwasusedforturbulenceclosure．TheCHTprocessisreal—izedbykeepingtheheatfluxonthecoupledsurfacetobeconsistent．TheCHTcodeisvalidatedbyexperimentaldata，thenusedtonumericallyinvestigateanozzleunderdiferentexpansionst

5、ates．ThesimulatedresultsshowthattheflowseparationOCCUYSinthenozzleunderover—expandedstate，andtheconvectiveheattransferisenhancedintheseparationregionandthenozzlewalliscooledbythegasinthedownstreamregionoftheseparationwitharelativelylowleve1．Thelocalconvectiveheattransferincreaseswiththenozzle

6、inletpressure．Keywords：nozzle；diferentexpansionstates；conjugateheattransfer；flowstructure0引言可能产生流动分离叫J，流动分离会加剧分离点处的喷管是火箭发动机能量转换的重要部件，它把高传热及烧蚀。通常情况下，喷管尺寸依据最佳膨温高压燃气的热能和压强势能转变为高速排出的气体胀状态而设计，但由于多级推力在实际应用中的需求动能，产生反作用力。当喷管的扩张比给定时，根据喷(如单室多推力、多级火箭等)，燃烧室内的工作压强管入口与出口反压之比NPR(nozzlepressureratio)的是变化的，在火

7、箭工作的部分时间内，喷管会处于欠膨不同，喷管的工作状态可分为过膨胀状态、最佳膨胀状胀状态，在最佳膨胀状态或欠膨胀状态下，喷管壁面不态和欠膨胀状态-．。会出现流动分离。对喷管壁面无流动分离情况下的传火箭发动机喷管在工作过程中，可能会经历上述热研究，国内外学者也做了很多工作。其中，耦合传热多种膨胀状态。例如，火箭在不同高度的空域飞行或被证明是一种能准确预示喷管固壁材料内部及边界上发动机工作的开始及结束阶段，外界反压或燃烧室内温度和热流密度分布的方法，可为喷管热防护设压力会发生很大变化