基于CFD数值模拟的拉瓦尔喷管流场分析

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1、第42卷第4期2012年7月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．42No．4Jul．2012基于CFD数值模拟的拉瓦尔喷管流场分析王平，李昌平，陈柏松(空军航空大学航空机械工程系，吉林长春130022)摘要：结合一维等熵管流理论，采用CFD方法对某型拉瓦尔喷管典型工作的流场进行整场数值模拟，阐述了网格生成，流场初始化，以及RNG湍流模型使用方法，并对拉瓦尔喷管工作特性进行了气动分析。研究表明，CFD计算结合一维管流理论能识显提高计算效率，数值计算结果与理论相符

2、较好。关键词：流场；拉瓦尔喷管；网格生成；数值分析；初始化中图分类号：V211．48文献标识码：A文章编号：1671—654X(2012)04．0060．03LavalNozzleFlowAnalysisBasedonCFDComputationWANGPing，LIChang-ping，CHENBai-song(DepartmentofAeronauticalMechanicalEngineering，AviationUniversityofAirForce，Changchun130022，China

3、)Abstract：Combinedwithone．dimensionalisentropicflowtheory，CFDmethodsareusedtosimulatethewholeflowfieldofacertainLavalnozzleunderthetypicaloperations．Thepaperdescribesthegirdgener-ation，flowfieldinitializationandRNGturbulencemodelapplication；furthermore，i

4、tanalyzesthenozzleaerodynamiccharacteristics．InvestigationsshowthatcomputationalefficiencyissignificantlyimprovedbycombiningCFDwithone—dimensionalflowtheory．Thenumericalresultsmatchwellwiththetheory．Keywords：flowfield；Lavalnozzle；gridgeneration；numerical

5、analysis；initialization引言拉瓦尔喷管为典型的超声速喷管，它通过管道横截面的变化来实现气流流速的控制，气流在亚声速流动时，管道收缩，在超声速时，管道扩张，从而使气流速度不断增大。喷管的设计和研究主要是以风洞实验、气体动力学和计算流体力学为基础，其中风洞实验周期长，耗资大，并存在气流的温度、压力、速度及模型尺寸等限制，目前计算流体力学(CFD)方法已经成为常规的气动分析手段。本文结合气动理论分析，采用CFD方法，详细分析了拉瓦尔喷管典型工作状态。1计算模型及气动理论分析本文研究对象为

6、外军某型发动机轴对称拉瓦尔喷管，喷管出口直径0．80m，喉部与出ISl的面积比为0．505，出口与进口的面积比为0．694。扩散段长度0．60，收敛段长度0．81，图1给出了用以计算的喷管结构二维示意图。建模过程进行无厚度壁面简化，喷管工作的出口反压P。=101325Pa，改变进口总压p；大小，管外总温巧=300K，管外马赫数为0。p7t‘图l喷管结构示意图气动分析作出假设：喷管内为绝能定熵条件下一维定常定比热理想气体，气体绝热指数k=1．40。根据气动理论，由西、巧、P。和喉部与出口的面积比A。／A，

7、，可计算出特征压力比7r。=(P。勿f)，，仃：=(p。／P7+)：，几=(Pb／p；)，，由特征压比将喷管流场划分为4种类型，7种流态，从而确定喷管的全部工作状态¨以J，计算步骤参考文献[1]。本文直接给出分析结果，如图2，当实际压比7r=Pb／p，≤7r。，收敛段为亚声速气流，扩散段为超声速气流，气流流出管外后继续膨胀，沿程压力如图2中第1类型曲线；当仃，≤丌≤7r：时，随压比增大，管外产生激波，管内流动情况同类型I，沿程压力如图2第Ⅱ类曲线；当仃：<7r≤仃3时，收稿日期：2012—05—08修订

8、日期：2012—05—23作者简介：王平(1981一)，男，讲师，硕士，主要研究方向为航空宇航推进理论与工程。2012年7月王平等：基于CFD数值模拟的拉瓦尔喷管流场分析·6l·管内产生激波，如图第Ⅲ类曲线；当1>7r>7r，时，整个喷管内全为亚声速气流，如图第Ⅳ类曲线。P，’L‘1．Op6．p，口。，0R邋正激波后＼l状态轨迹∑⑦三⑥一⑤目④一③目泉二图2沿程压力分布2喷管的CFD计算方法2．1算法与湍流模型采用有限体积法求解N—S方程，