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        發(fā)動(dòng)機(jī)水下工作三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬

        2016-07-01 01:39:45海軍裝備部孔東明
        電子世界 2016年10期

        海軍裝備部 孔東明

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        發(fā)動(dòng)機(jī)水下工作三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬

        海軍裝備部 孔東明

        【摘要】以計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT為平臺(tái),對(duì)深水火箭發(fā)動(dòng)機(jī)三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓容器中工作尾流場(chǎng)特性,確定發(fā)動(dòng)機(jī)尾流場(chǎng)在高壓容器中水流動(dòng)規(guī)律,為深水火箭發(fā)動(dòng)機(jī)陸上模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的研制提供參考。

        【關(guān)鍵詞】深水火箭;三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng);陸上模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

        1 引言

        本文是以計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT為平臺(tái),通過VOF模型追蹤氣液界面,對(duì)深水火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行可行性論證。

        在對(duì)指定問題進(jìn)行CFD計(jì)算之前,首先要將計(jì)算區(qū)域離散化,即對(duì)空間上連續(xù)的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分,把它劃分成許多個(gè)子區(qū)域,并確定每個(gè)區(qū)域中的節(jié)點(diǎn),從而生成網(wǎng)格。然后,將控制方程在網(wǎng)格上離散,將偏微分格式的控制方程轉(zhuǎn)化為各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組,即建立離散方程組。由于應(yīng)變量在節(jié)點(diǎn)之間的分布假設(shè)及推導(dǎo)離散方程的方法不同,就形成了有限差分法、有限元法和有限體積法等不同類型的離散化方法。其中,有限體積法是目前CFD領(lǐng)域廣泛使用的離散化方法。本文所使用到的FLUENT軟件也是基于該法。

        2 仿真計(jì)算條件

        2.1發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

        圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型圖

        長尾管發(fā)動(dòng)機(jī)外徑380mm,噴管長度703mm,喉徑35mm,膨脹比為1.69。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃燒室壓力為14MPa,溫度為2800K。根據(jù)一維等熵流理論可得發(fā)動(dòng)機(jī)理想工作時(shí)噴管喉部壓力約為5.9MPa,溫度約為2500K,噴管出口馬赫數(shù)約為1.912,壓力約為1.62MPa,溫度約為1960K。

        2.2 釜體基本參數(shù)

        高壓釜內(nèi)部全長27m,內(nèi)徑5m,工作壓強(qiáng)為1.5MPa~4MPa。釜內(nèi)工作介質(zhì):水和空氣,水占2/3,空氣占1/3。

        圖2 釜體構(gòu)型圖

        根據(jù)釜體和發(fā)動(dòng)機(jī)的基本尺寸參數(shù)對(duì)流場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。計(jì)算網(wǎng)格如圖 3所示。由于采取非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,時(shí)間步長會(huì)受到CFL準(zhǔn)則的限制。CFL數(shù)為:

        圖3 計(jì)算網(wǎng)格

        2.3邊界條件和初始條件

        2.3.1初始條件

        發(fā)動(dòng)機(jī)在水下工作,環(huán)境壓力由深度關(guān)系式確定:

        其中,P0為水面大氣壓即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,是水的密度,g為重力加速的,h為水的深度。由于發(fā)動(dòng)機(jī)擬工作深度在水下400m處,計(jì)算得環(huán)境壓力約為4MPa,水環(huán)境溫度約為300K。

        噴管內(nèi)部采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)作為初始條件,全部為氣相;外部流場(chǎng)以400米水深壓強(qiáng)與溫度作為初始條件,且速度為0,全部為液相。

        2.3.2入口邊界條件

        噴管入口給定壓力入口條件,入口壓力為14MPa,溫度為2800K。水的相容積比率為0,表明入口全部為燃?xì)狻?/p>

        2.3.3出口邊界條件

        計(jì)算區(qū)域上方邊界給定壓力出口邊界條件,參數(shù)由氣墊的壓力和溫度確定,分別為4MPa和300K。

        2.3.4壁面邊界條件

        噴管內(nèi)壁面和發(fā)動(dòng)機(jī)外表面以及計(jì)算域左右和下方的釜體內(nèi)表面采用無滑移壁面邊界條件,即壁面上流體速度為0;由于流場(chǎng)建立與變化過程的時(shí)間很短,與外界進(jìn)行的熱量交換有限,所以采用絕熱壁面條件忽略壁面與流體間的傳熱過程,即壁面處溫度在法向上導(dǎo)數(shù)為0,即:

        3 計(jì)算模式

        求解過程采用分離隱式求解步驟,順序求解各方向上的動(dòng)量方程、壓力修正方程、能量方程和容積比率控制方程等;時(shí)間采用一階隱式方案,控制方程以一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。采用SIMPLE算法進(jìn)行瞬態(tài)問題的壓力校正,在瞬態(tài)計(jì)算的每個(gè)時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行迭代,直到取得本時(shí)間步內(nèi)的收斂解后,轉(zhuǎn)入下一時(shí)間步繼續(xù)迭代計(jì)算。

        經(jīng)過不同時(shí)間步長計(jì)算效率的對(duì)比,最終取時(shí)間步長為萬分之一秒。

        4 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

        4.1尾流場(chǎng)燃?xì)馀莅l(fā)展過程

        發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流經(jīng)歷了射流建立、穩(wěn)定、上浮大致三個(gè)過程。由于仿真計(jì)算量大,目前計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)長為1.2s。釜體直徑為5m,水占2/3,氣占1/3,則水面距釜體底部約為3.33mm。發(fā)動(dòng)機(jī)安放位置距釜體頭部8m,距底部2m,則發(fā)動(dòng)機(jī)出口距水面的高度約為1.33m。

        從1.2s的燃?xì)馍淞靼l(fā)展情況來看,此時(shí)射流長度約為3.8m,射流前端上浮約0.6m。由于目前的計(jì)算結(jié)果只能看出射流的上浮趨勢(shì),射流本身并沒有到達(dá)水面以確定射流長度,因此只能通過估算的方法來預(yù)估射流長度?;诂F(xiàn)有的計(jì)算結(jié)果,確定射流平均上浮速度和平均軸向發(fā)展速度,利用這兩個(gè)速度來確定射流上浮到水面后的軸向長度。

        射流的平均上浮速度可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作1.2s,射流上浮0.6m確定,約為0.5m/s。發(fā)動(dòng)機(jī)出口距水面的高度為1.33m,則射流上浮至水面需要的時(shí)間約為2.7s,由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馍淞鞯某跏妓俣炔]有重力方向上的分量,因此射流上浮時(shí)間并不會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)工況不同而發(fā)生大的改變,其只與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口距水面高度有關(guān)。由于2.7s射流上浮時(shí)間較短,利用射流上浮時(shí)間乘以射流平均軸向發(fā)展速度可以估算射流到達(dá)水面時(shí)的軸向長度。發(fā)動(dòng)機(jī)工作1.2s,射流長度發(fā)展為3.8m,則射流的平均軸向發(fā)展速度約為3.17m/s,估算射流上浮至水面時(shí)射流場(chǎng)度約為8.6m。

        在此結(jié)果基礎(chǔ)之上,若發(fā)動(dòng)機(jī)出口距水面高度為2m,則可推知射流長度約為15.2m。當(dāng)然,該預(yù)估方法為簡(jiǎn)單的線性預(yù)估,若考慮實(shí)際水體對(duì)射流的阻滯作用,射流長度會(huì)稍有減少。

        由于三維模型較為復(fù)雜,以及計(jì)算入口和出口條件的制約,難于實(shí)現(xiàn)對(duì)釜體內(nèi)0.44m/s水流的仿真,本次仿真為靜水環(huán)境。若考慮水流速度,射流相對(duì)于水體的發(fā)展速度為3.17m/s,而水流速度為0.44m/s,則射流實(shí)際的平均軸向發(fā)展速度為二者之和,即3.61m/ s??紤]水流后,估算射流長度約為9.8m。

        4.2釜體內(nèi)部與內(nèi)壁面及發(fā)動(dòng)機(jī)外壁面壓力監(jiān)測(cè)

        針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在密閉壓力容器內(nèi)工作的工況,為了對(duì)試驗(yàn)裝置(或試車臺(tái))提出相應(yīng)的安裝保護(hù)措施,以及對(duì)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析,并提出相應(yīng)的安全性措施,在釜體內(nèi)部與內(nèi)壁面及發(fā)動(dòng)機(jī)外壁面提取個(gè)10個(gè)測(cè)壓點(diǎn),監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中壓力變化。

        4.3不同模擬水深仿真分析

        鑒于主要技術(shù)指標(biāo)中高壓釜工作壓強(qiáng)為1.5MPa~4MPa,在4.2節(jié)計(jì)算的基礎(chǔ)之上,另外補(bǔ)算了高壓釜工作壓強(qiáng)為1.5MPa和3MPa兩個(gè)計(jì)算算例,其中水體仍為靜止?fàn)顟B(tài)。由于計(jì)算量過大,補(bǔ)算的兩個(gè)算例僅算至發(fā)動(dòng)機(jī)工作0.25s,通過與4MPa下發(fā)動(dòng)機(jī)工作0.25s時(shí)的射流形態(tài)進(jìn)行對(duì)比來估計(jì)補(bǔ)算的兩個(gè)算例的射流到達(dá)水面后的軸向長度。

        表1 不同高壓釜工作壓力下燃?xì)馍淞鬏S向長度對(duì)比

        發(fā)動(dòng)機(jī)同樣工作0.25s,在高壓釜工作壓強(qiáng)為1.5MPa的條件下,射流軸向發(fā)展長度為1.599m,在高壓釜工作壓強(qiáng)為3MPa的條件下,射流軸向發(fā)展長度為1.457m,在高壓釜工作壓強(qiáng)為4MPa的條件下,射流軸向發(fā)展長度為1.378m。由0節(jié)的分析結(jié)果可知,在高壓釜工作壓強(qiáng)為4MPa、水體靜止的條件下,燃?xì)馍淞髯罱K的軸向長度為8.6m,那么可以利用對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系來對(duì)補(bǔ)算的兩個(gè)計(jì)算算例中射流最終的軸向長度進(jìn)行估算。具體射流長度估算結(jié)果見表1。

        由表1可知,在高壓釜工作壓強(qiáng)為1.5MPa,水流速度為0.44m/s時(shí),射流的軸向總長度最大,為11.2m。該結(jié)果為模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

        5 結(jié)論

        本文對(duì)深水火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,具體結(jié)論如下:(1)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外表面環(huán)境壓力波動(dòng)較小,最大幅值不超過0.05MPa,基本波動(dòng)幅值僅為0.01MPa。所以對(duì)試驗(yàn)裝置(試車臺(tái))而言,發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)外部環(huán)境并不惡劣。但是噴管出口附近壓力波動(dòng)較為劇烈,壓力最大值達(dá)4.6MPa,最小值達(dá)2.7MPa,在如此劇烈的壓力波動(dòng)下,發(fā)動(dòng)機(jī)長尾管很有可能產(chǎn)生較大幅度的機(jī)械振動(dòng),可以考慮在不影響推力測(cè)量的前提下對(duì)噴管出口進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮S向機(jī)械固定,只保留噴管的軸向自由度。(2)由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)噴管出口附近的壓力波動(dòng),以及壓力波在水介質(zhì)及空氣介質(zhì)中的傳播,造成釜體內(nèi)部環(huán)境壓力的波動(dòng)。但是在減壓裝置正常工作的前提下,釜體內(nèi)部壓力基本保持在正常的工作壓力上,且壓力波動(dòng)范圍非常小,說明發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)釜體處于安全狀態(tài)。

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