CN110442934A - 一种考虑固体发动机尾喷流辐射的高精度气动热计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种考虑固体发动机尾喷流辐射的高精度气动热计算方法，综合考虑了尾喷流和外流对非接触壁面的影响，对流体组分、燃气参数、尾喷流中凝聚相颗粒注入参数等相关参量进行等效计算，通过这些相关参量的综合运用，可以获得受固体发动机尾喷流辐射加热影响的非直接接触加热面的气动加热热流。该方法预测结果经多种发动机试验验证，具有较高的计算精度,在发动机底部非接触气动热预测方面具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及气动加热预测技术领域，尤其涉及一种考虑了固体发动机尾喷流热辐射的高精度气动热计算方法。
背景技术
固体发动机尾喷流温度高，尾喷流中包含的凝聚相Al2O3颗粒产生的辐射对喷管出口周围的部件辐射加热严重，此类辐射加热和高温燃气的辐射、外流的气动加热耦合在一起，对喷管出口附近、底部周围的部件产生了严重的加热热流，使底部温度迅速升高。
现有文献中介绍了较多发动机尾喷流羽流流场模拟方法，但仅限于模拟发动机尾流流场的形状，以及对尾流流场内部温度场、压力场的模拟，缺少对固体发动机尾喷流对外部壁面热辐射的定量计算；也有文献研究了发动机尾喷流对发射车车顶板和防护板的冲击和直接加热，但仅限于燃气直接接触加热面的情况，缺少凝聚相参数和非接触面辐射热之间关系的精细研究，导致计算精度低。尚没有公开文献研究尾喷流辐射对热流的影响，特别是对周围非接触面的热流的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种既受外流气动加热影响，又受固体发动机尾喷流辐射影响，但不与尾喷流直接接触的壁面气动热高精度CFD计算方法，实现尾喷流出口、底部区域热流预测，满足底部气动热预测领域的需求。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
一种考虑固体发动机尾喷流辐射的高精度气动热计算方法，包括如下步骤：
S1、建立等效的CFD尾喷流辐射热计算模型，计算区域包括尾喷流和外流两部分；
S2、确定流体组分物性参数，包括外流大气组分，以及尾喷流中燃气定压比热和燃气分子量；
S3、设置流场边界条件，通过CFD流场分析计算燃气和大气的流动，以及燃气流出尾喷管之后与大气的掺混，至流场稳定；
S4、确定尾喷流中凝聚相颗粒注入参数；
S5、将步骤S4获得的凝聚相颗粒注入步骤S3获得的流场中，再次开展CFD计算并得到受辐射区域气动热。
进一步的，所述步骤S2中大气组分为空气；所述燃气的分子量采用尾喷流中气相成分的分子量。
进一步的，所述步骤S2中燃气定压比热计算方法如下：
S2.1、计算尾喷管喉道临界温度T*：
其中，T0为燃烧室的总温，γ为尾喷流比热比；
S2.2、计算出口马赫数Ma2：
其中，为扩张比，A*为喉道面积；
S2.3、计算出口温度T2：
S2.4、根据尾喷管喉道到出口的温度，查燃气温度与比热关系表确定燃气的定压比热
进一步的，所述步骤S3中流场边界条件包括燃气入口、大气入口、气流出口以及壁面。
进一步的，所述步骤S4中确定凝聚相颗粒注入参数包括如下步骤：
S4.1、凝聚相颗粒注入位置和燃气注入位置相同，凝聚相颗粒质量流量计算方法如下：
其中，为当前时刻的尾喷流总流量，x凝聚相为凝聚相所占百分比；
S4.2、设定凝聚相颗粒物性参数，包括颗粒密度、比热、发射率和散射率；
S4.3、计算尾喷流凝聚相颗粒分布：
其中，Yd表示大于直径d的颗粒所占的质量份数，d表示颗粒直径，表示平均直径，n为散布参数；
S4.4、凝聚相颗粒注入温度、速度数值等于喉道Ma＝1处的燃气温度、速度；
S4.5、确定要计算的非接触壁面的吸收率和壁温，选定DO辐射模型。
进一步的，所述步骤S4.4中凝聚相颗粒注入温度和速度计算方法如下：
确定新的燃气比热比：
其中，Rranqi为燃气通用气体常数，由下式求得：
其中，Mranqi为燃气分子量；
计算凝聚相颗粒注入温度：
计算凝聚相颗粒注入速度：
其中，a为当地燃气音速。
进一步的，所述凝聚相颗粒为惰性颗粒。
本发明的有益效果：
本发明建立一种考虑了固体发动机尾喷流辐射的高精度气动热CFD计算方法。在CFD计算框架下，根据待求解问题的特点，对CFD计算的输入关键参数进行了针对性设置，在实现气动热求解的同时得到了较高的求解精度。在设置CFD计算中的流体组分物性时，考虑了燃气和空气的混合，并建立了燃气比热和分子量确定方法；考虑凝聚相颗粒对非接触面的辐射影响，建立了凝聚相颗粒注入速度和温度等关键影响参数设置方法。
本发明建立的计算方法以及关键参数设置经实际试验测量结果校核，所有计算结果经验证精度都在10％以内，具有较高的可靠性，节约了高昂的校核试验成本，在底部气动热预测方面具有广阔的应用前景，从而填补了底部非接触区域气动热预测领域的空白。
附图说明
所包括的附图和附表用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图和附表仅仅是本发明的一些实施例子，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图和附表获得其他的附图和附表。
图1本发明等效CFD尾喷流辐射热计算模型的计算区域及边界示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例，对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提出的考虑固体发动机尾喷流辐射的高精度气动热计算方法，适用于计算受尾喷流中燃烧产物中凝聚相颗粒成分辐射加热影响的非直接接触加热面的气动加热热流。
一种考虑固体发动机尾喷流辐射的高精度气动热计算方法，包括下述步骤：
步骤一：建立等效的CFD尾喷流辐射热计算模型，该计算模型的计算区域包括尾喷流和外流两部分区域。
本发明是基于CFD计算软件框架进行，其他以流体力学N-S方程为基础的数值模拟方法也视为同等范畴。本发明通过对N-S方程中涉及质量、能量的一些参数变量进行设置而提高了计算结果精度，N-S相关方程见流体力学专业书籍。
等效CFD尾喷流辐射热计算模型的计算区域：包括尾喷流(尾喷管内)和外流两部分区域，参见图1，尾喷流包括燃气和凝聚相两部分。尾喷流和外流区域是连通的，发动机尾喷流在喷管出口处和外流流动耦合在一起。图1中的非接触面处于发动机底部，既受尾喷流的辐射，又受外流的气动加热作用，因此等效CFD尾喷流辐射热计算模型可以计算包含了辐射加热和气动加热的总的底部区域气动热流。
步骤二：确定流体组分物性参数，包括外流大气组分，以及尾喷流中燃气组分定压比热和燃气分子量等。
计算模型中流体组分的选择：考虑尾喷流中燃气和外流空气的混合，采用多组分模型，即流体组分由燃气组分和大气组分掺混构成。在尾喷管喉道入口截面注入燃气组分；外流则采用大气组分。
对流体组分物性进行设置：大气组分为空气，燃气组分需要独立建立并设置相应的分子量、定压比热等物性参数，不计及凝聚相颗粒的成分。
燃气的分子量采用尾喷流中气相成分的分子量。
表1燃气比热计算参数
| 扩张比 | 尾喷流比热比γ | 总温T<sub>0</sub>(K) |
| 13.9 | 1.19 | 3515 |
燃气定压比热与温度有关。燃气定压比热获取步骤如下：
(1)根据固体发动机尾喷流类型、尾喷管扩张比选定尾喷流比热比γ，该比热比由发动机尾喷流参数默认提供。
尾喷管喉道临界温度T*，即喉道处马赫数为1的温度，与燃烧室的总温T0关系可按下式求解：
(2)根据尾喷管出口A出口与喉道的面积A*的比值：即扩张比，即可确定出口马赫数Ma2，出口马赫数Ma2可通过下式求得：
(3)根据出口马赫数Ma2和燃烧室的总温T0，确定出口温度T2：
(4)最后根据尾喷管喉道到出口的温度，查燃气温度与比热关系表即可确定燃气的定压比热
步骤三：流体组分物性设置好之后，设置流场边界条件，包括燃气入口、大气入口、气流出口以及壁面等边界条件，通过CFD流场分析计算燃气和大气的流动，以及燃气流出尾喷管之后与大气的掺混，至流场计算稳定后再进行下一步计算。
本步骤为常规CFD计算设置，流场稳定后再引入凝聚相颗粒的影响，便于后续计算的收敛，减小计算量，对计算精度影响小。
步骤四：确定尾喷流中凝聚相颗粒注入参数，包括凝聚相颗粒注入位置、质量流量、物性参数、尺寸大小和分布、注入温度和速度。
步骤4.1：在流体(燃气和大气掺混物)流场收敛基础上，在尾喷管喉道截面处以分散相的形式注入凝聚相颗粒喷流，并和流体组分掺混，其注入位置和燃气注入位置相同，参见图1。
注入的凝聚相颗粒质量流量根据固体发动机实际情况设置，一般情况下可根据当前时刻的尾喷流总流量和凝聚相所占百分比x凝聚相确定：
CFD中凝聚相和流体掺混采用分散相模型，可参考《FLUENT帮助》16.13节分散相模型的说明。
步骤4.2：设定凝聚相颗粒物性参数
在本步骤中设定凝聚相颗粒的材料物性，包括颗粒密度、比热、发射率和散射率。同时把凝聚相颗粒设为惰性颗粒，即不与周围物质反应。
步骤4.3确定尾喷流凝聚相颗粒尺寸和分布
采用rosin-rammler表达式表示凝聚相颗粒分布：
公式中和n为已知常数，表示平均直径，n为散布参数；Yd表示大于直径d的颗粒所占的质量份数，d为自变量，表示颗粒直径。
和n通过实际尾喷流凝聚相颗粒尺寸以及大于此尺寸颗粒所占的质量份数求得。以实际尾喷流凝聚相颗粒尺寸d为X轴，大于此尺寸颗粒所占的质量份数Yd为Y轴，所确定的数据点绘于图上，其数据点连线即为rosin-rammler曲线。由(5)式可知，当时，Yd＝e-1≈0.368，因此，根据此Y坐标，可从图中rosin-rammler曲线确定该点的X坐标值，即值。同时，选取某种直径、以及大于此直径的颗粒质量份数，代入公式(5)，即可算得散布参数n。
不同发动机尾喷流，其凝聚相颗粒直径以及对应的质量份数需根据尾喷流试验实测确定，再根据测定结果可统计求得该关系式参数。而颗粒尺寸大小和分布通过影响流体力学N-S方程中的质量相关项，进而影响被计算区域的辐射能量。
步骤4.4：确定凝聚相颗粒注入温度和速度
注入温度、速度数值等于喉道Ma＝1处的燃气温度、速度。
凝聚相颗粒注入温度Tinput数值等于喉道处的燃气温度，可通过燃气比热比来求解，计算步骤如下：
(1)确定新燃气比热比
为步骤二确定的燃气定压比热，则新的燃气比热比由下式确定：
其中，Rranqi为燃气通用气体常数，由下式求得：
其中，Mranqi为燃气分子量。
(2)根据燃烧室的总温T0，喉道处(Ma＝1)凝聚相颗粒注入温度为：
凝聚相颗粒注入速度Vinput为喉道处的燃气速度，其数值等于当地燃气音速。公式如下：
其中，a为当地燃气音速。
步骤4.5：根据获得的尾喷流中凝聚相颗粒注入参数，结合要计算的非接触壁面的吸收率和壁温，开启DO辐射模型进行后续计算。
DO辐射模型可参考《FLUENT帮助》14.3.5节DO辐射模型的说明。
计算时需要给出所关心的尾喷流周围、不与尾喷流接触、但受尾喷流辐射影响的壁面的吸收率和壁温，以计算其接收到的辐射能量。
步骤五：将步骤四获得的凝聚相颗粒带入步骤三获得的流场中，再次开展CFD计算并得到受辐射区域气动热
步骤四是在步骤三流场CFD计算收敛之后，再添加凝聚相颗粒分散相模型和辐射模型，根据这些设置，需要进一步开展CFD计算，以获得最终正确的结果。因此本步骤是在前述步骤的基础上进一步开展CFD计算并最终得到处于发动机尾喷流出口附近的包含了辐射加热的总的底部区域热流。
根据本发明方法给出的设置，已知某时刻总流量为211.717kg/s，凝聚相颗粒质量分数为0.34，燃烧室总压为7.423MPa，同时根据表2给出的所求非接触面的吸收率和壁温，代入CFD模拟软件中计算得到该时刻总热流为80.4kW/m2。
通过表2的对比可看出，上述方法预测结果与实际发动机热试车试验测量获得的底部对应位置的热流测量值(通过实测温度反推获得的热流)吻合较好，预测不确定度为5.5％，其他发动机试验计算精度也在10％以内。
表2非接触面气动热计算结果
本发明提出了一种工程可用的考虑了固体发动机尾喷流对非直接接触加热面辐射的气动加热计算方法。本发明对凝聚相颗粒尺寸及分布，凝聚相颗粒的注入温度、注入速度，燃气比热、分子量等与能量有关的因素给出了精确的计算方法，通过这些因素的综合运用，可以获得受凝聚相辐射加热影响的非直接接触加热面的气动热，通过精准的气动热计算，进一步计算受加热结构体的温度变化。
本发明提出的计算方法简单可行，可以精细计算受尾喷流辐射影响区域的热流，经与多个发动机试验结果对比验证，其热流计算精度在10％以内，预测结果准确可靠，从而避免了大型点火校核试验，节约了高昂的试验成本。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种考虑固体发动机尾喷流辐射的高精度气动热计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立等效的CFD尾喷流辐射热计算模型，计算区域包括尾喷流和外流两部分；
S2、确定流体组分物性参数，包括外流大气组分，以及尾喷流中燃气定压比热和燃气分子量；
S3、设置流场边界条件，通过CFD流场分析计算燃气和大气的流动，以及燃气流出尾喷管之后与大气的掺混，至流场稳定；
S4、确定尾喷流中凝聚相颗粒注入参数；
S5、将步骤S4获得的凝聚相颗粒注入步骤S3获得的流场中，再次开展CFD计算并得到受辐射区域气动热。
2.根据权利要求1所述的高精度气动热计算方法，其特征在于，所述步骤S2中大气组分为空气；所述燃气的分子量采用尾喷流中气相成分的分子量。
3.根据权利要求1所述的高精度气动热计算方法，其特征在于，所述步骤S2中燃气定压比热计算方法如下：
S2.1、计算尾喷管喉道临界温度T*：
其中，T0为燃烧室的总温，γ为尾喷流比热比；
S2.2、计算出口马赫数Ma2：
其中，为扩张比，A*为喉道面积；
S2.3、计算出口温度T2：
S2.4、根据尾喷管喉道到出口的温度，查燃气温度与比热关系表确定燃气的定压比热
4.根据权利要求1所述的高精度气动热计算方法，其特征在于，所述步骤S3中流场边界条件包括燃气入口、大气入口、气流出口以及壁面。
5.根据权利要求1所述的高精度气动热计算方法，其特征在于，所述步骤S4中确定凝聚相颗粒注入参数包括如下步骤：
S4.1、凝聚相颗粒注入位置和燃气注入位置相同，凝聚相颗粒质量流量计算方法如下：
其中，为当前时刻的尾喷流总流量，x凝聚相为凝聚相所占百分比；
S4.2、设定凝聚相颗粒物性参数，包括颗粒密度、比热、发射率和散射率；
S4.3、计算尾喷流凝聚相颗粒分布：
其中，Yd表示大于直径d的颗粒所占的质量份数，d表示颗粒直径，表示平均直径，n为散布参数；
S4.4、凝聚相颗粒注入温度、速度数值等于喉道Ma＝1处的燃气温度、速度；
S4.5、确定要计算的非接触壁面的吸收率和壁温，选定DO辐射模型。
6.根据权利要求5所述的高精度气动热计算方法，其特征在于，所述步骤S4.4中凝聚相颗粒注入温度和速度计算方法如下：
确定新燃气比热比：
其中，Rranqi为燃气通用气体常数，由下式求得：
其中，Mranqi为燃气分子量；
计算凝聚相颗粒注入温度：
计算凝聚相颗粒注入速度：
其中，a为当地燃气音速。
7.根据权利要求5所述的高精度气动热计算方法，其特征在于，所述凝聚相颗粒为惰性颗粒。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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