高超声速，长时间运行推进风洞喷管热载荷分析.doc

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1、第八届全国流体力学学术会议2014年9月18～21日甘肃兰州文章编号：CSTAM2014-B01-0190高超声速、长时间运行推进风洞喷管热载荷分析作者：邢云绯，张永江，仲峰泉，张新宇单位：中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室Copyright©2014版权所有中国力学学会地址:北京市北四环西路15号　邮政编码:100190　Address:No.15BeisihuanxiRoad,Beijing100190高超声速、长时间运行推进风洞喷管热载荷分析邢云绯，张永江，仲峰泉，张新宇（中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京海淀区100190）摘要高超声速推进风洞的关

2、键部件之一是产生高超声速气流的喷管。由于喷管的工作环境及其结构特性，使得喷管喉道的热防护成为长时间运行风洞的设计难点之一。本文针对入口参数为马赫数6.5、总温1840K、总压6.4MPa的二维、三维喷管以及轴对称喷管的热载荷分布特性的基础性问题开展了研究工作。数值计算方法进行了网格无关性的验证，且与实验结果进行比对。本文的研究将为高超声速、长时间运行推进风洞喷管及其他相关部件的冷却设计提供参考。关键词高超声速推进风洞，喷管，气动热载荷，对流换热引言高超声速飞行器的气动性能、发动机性能、结构热防护研究均依赖于高马赫数风洞设备的建立[1-3]。高马赫数风洞的关键部件之一是产生高超声速气流的喷管

3、。由于喷管上游气流的高压及高总温以及喷管喉道的微小尺寸，使得喷管喉道的热防护成为长时间运行风洞的设计难点之一。Quentmeyer和Roncace[4]对喷管的热载荷特性进行了实验研究，获得了沿程热流及温度分布，热流分布在喉道部位达到热流峰值。Traci等人[5]对喷管的对流换热分布进行了研究并且发展了设计及优化喷管冷却设计的分析方法。日本航空宇宙（角田）研究所（JAXA）在1993年完成了超声速自由射流试车台（RJTF）的建造[6-9]。主喷管的设计马赫数为4、6、8；其中M4、M6喷管为二元矩形截面，M8喷管采用三维方形截面。M4喷管采用镀镍钢材，而M6喷管及M8喷管从收缩段到喉道采用

4、了导热性能优良的锆青铜。主喷管均采用了水冷系统，其中喉道部分为高压冷却水。通过文献调研，可以发现虽然针对喷管已经有了一系列的基础研究，但是针对喷管的热性能细节的系统研究还是非常欠缺的。本文将针对出口结构条件一致的条件下，设计出的二维、三维及轴对称喷管进行数值计算并对其热载荷情况进行对比分析。图1三种构型喷管示意图图1(a)-(c)显示了以相同的出口条件设计出的二维喷管、三维喷管及轴对称喷管。对于二维喷管，喷管的宽度保持不变，以改变喷管高度的方式来改变截面面积。因此，二维喷管的喉道尺寸通常比较小（几个毫米）。对于三维喷管，喷管的所有表面等值变化以达到设计截面尺寸，所以三维喷管的喉道尺寸明显大

5、于二维喷管。轴对称喷管与三维喷管类似，其喉道尺寸大于二维喷管。表1显示了相同的入口条件(P0=6.4MPa,T0=1840K，Ma=6.5)和出口面积(Ae=0.1089m2)保持不变的前提下，三种喷管构型在的主要特性对比。由于构型的显著不同，不同喷管的流动及换热特性也会显著不同。1数值模拟方法及边界条件通过有限体积法离散求解三维的Navier－Stokes方程,对喷管内流动和换热进行了数值计算,对流项的离散采用了二阶迎风差分格式，扩散项采用了二阶中心差分格式，压力、速度耦合求解采用了Coupled算法,时间推进采用了隐式Gauss－Seidel方法。控制方程中所有变量的时间、空间离散均具

6、有二阶精度，同时考虑到喷管内部为充分发展的湍流，所以本文采用了SST两方程湍流模型。由于喷管的对称性，四分之一的喷管作为数值计算的模型，如图2所示。入口条件为：总压6.4MPa，总温1840K，流量5.3kg/m3。喷管壁温为600K。图2三维喷管数值计算模型表1喷管特性对比序号二维喷管三维喷管轴对称喷管喉道尺寸小(2.82mm×330mm)大(31mm×31mm)中(d=30.5mm)加工工艺简单工艺复杂工艺简单出口有效面积中大小1.1网格无关性为了验证数值方法的可靠性，首先进行了网格无关性研究，对于二维喷管，三种不同网格结构参数列于表2中，其中为流动方向的网格数量，为法线方向网格数量，

7、表示横截面内最大/最小网格尺度的比值，表示壁面最小网格与湍流壁面尺度的比值。为了精确计算湍流传热，应当控制在相当小的范围内。对于三种网格，图3显示了沿着流向方向的壁面热流分布的比较。可以看出热流计算的结果基本相近，只是在喉道处，由于网格3其在喉道处过于稀疏的网格排布，导致其计算结果与网格1和2有明显不同。在本文中，采用了网格2的排布方式进行数值计算。表2网格参数序号152014015091.625201208114.53