固体发动机喷管喉衬流固耦合换热规律数值研究.pdf

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1、2014年2月西北工业大学学报Feb．2014第32卷第1期JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityVo1．32No．1固体发动机喷管喉衬流固耦合换热规律数值研究白俊华，胡春波，李佳明(西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室，陕西西安710072)摘要：通过考虑流场与壁面的湍流换热、固壁中的热传导以及包含吸收一发射性气体介质的喷管空腔中的热辐射交换等因素，建立了喷管喉衬流固耦合换热模型，通过与前人实验结果对照验证了模型的准确性；应用该模型分析了喷管粗糙度、燃气组分、燃烧室压强、推

2、进剂燃温等因素对喷管喉衬热结构及换热规律的影响。仿真结果表明，喷管喉衬壁面温度和总热流密度在喷管喉部直段的前端达到最大；上述因素对喷管喉衬热交换的热流密度影响很大。关键词：数值模型；实验验证；数值仿真；喷管喉衬；壁面温度；热流密度中图分类号：V435文献标志码：A文章编号：1000—2758(2014)01—0023．06随着高能固体推进剂的广泛应用，燃烧室燃烧电偶来测量喷管结构温度，从而剥离了热化学烧蚀产物的温度逐渐提高，在发动机工作过程中，喷管喉对喷管喉部的影响，获得喷管内部结构的温度场分衬需要暴露在最严酷的传热、热应力和高温

3、环境中，布。虽然上述研究工作取得了一定成果，但是仍然喷管喉部的热流密度高达12MW／m以上。急剧的缺乏精准的计算模型来获取喷管喉部流固交界面的热交换造成了喷管喉部严重的烧蚀现象，所以发动相关参数，从而使喷管的研究工作受阻。机喷管喉衬热结构以及换热规律的研究对喷管结构本文建立了喷管喉衬流固耦合换热模型，通过设计优化具有重大的意义。对参考文献[4]实验工况的计算，验证了计算模型研究喷管的换热情况以及温度分布是喷管热分的准确性；应用该数值仿真模型对堵多因素对喷管析与设计的主要途径。而发动机喷管的传热是复杂喉衬热交换规律的影响进行了研究，

4、为优化喷管设的传导、对流、辐射的耦合换热过程，实际喷管的温计提供理论参考。度分布不仅与其工况、粘性边界层状态等有关，而且与喷管本身的结构、材料等密切相关，所以必须作为1计算模型耦合传热问题求解。国内外学者针对喷管喉部的热交换规律及影响因素开展了一定的理论研究和实验1．1物理模型分析。熊永亮等人建立了轴对称的有限元计算本文选用参考文献[4]的实验构型尺寸，考虑模型，通过给定热边界条件对喉衬组件和扩张段结喷管构型的轴对称性，为了减少计算量，建立二维轴构的瞬态温度分布情况进行了研究。Thakre等对称数值模型。计算区域型如图1所示，计算

5、区域人建立了碳／碳以及石墨喉衬热化学烧蚀的理论中，参照文献[4]取石墨组件轴向长25mm，径向厚模型，该模型考虑了推进剂的化学反应、燃气热物性度10mm；喷管套层采用45钢制作，径向厚度为20变化、气相的化学动力学和喷管表面的异相反应等mm，喷管喉衬的结构尺寸如图2a)所示。在喷管壁问题。陈博等人利用酒精／氧气燃气发生器模拟面处划分边界层网格，底层网格厚度为0．01mm，模火箭发动机富氧燃气环境，从而分析了燃气参数对型总网格数约为57万，单个网格体积约为5．2×l0烧蚀性能的影响。李佳明等人以锻压钨为材料1TI。采用SIMPLE算

6、法，二阶迎风格式。设计喷管，通过在喷管喉衬径向的一定位置填埋热收稿日期：2013．05．02基金项目：国家自然科学基金(50976095)资助作者简介：白俊华(1983一)，女，西北工业大学博士研究生，主要从事航空宇航推进理论与工程研究。西北工业大学学报第32卷Reynolds应力微分方程式进行求解，具体如下：昙(p)+去去(p“f“+p(8“。+诸一dOx去(),,Oui+,,Oui)+图1计算区域p(等+(3)式中：D，表示湍流扩散项；，是分子扩散项；P为湍流切应力在主流速度方向做的功；表示压力应变项。在喷管喉衬内壁面处，对低

7、Re数的湍流耗散率测点3(c)方程加入粗糙度的修正。L25一=(4)——-4O—测点2(B)a)喷管结构图b)测点位置图图2喷管结构及测温点位置示意图1．2控制方程u*本文采用的是粘性可压非稳态二维N—S控制方、llIJ，pK~。l：——(6)程。喷管喉部换热模型的能量守恒方程包含流体换≥热、流固耦合换热以及固体内部的热传导。式中：表示壁面当量粗糙度。<气相能量守恒方程如下：1．4近壁面的处理在固体壁面附近，由于分子黏性的作用，湍流脉÷(PE)+V·(v(pE+P))=d动受到阻尼，因此对壁面附近分子黏性起作用的区V·(k。7T一

8、∑+l，·)+Js(1)域要做特别的处理。在划分网格时，把第一个内节点P布置到对数分布律成立的范围内，即配置到旺式中：丘=+为有效导热率，为湍流引起的导盛湍流区域。第一个内节点与壁面之间区域的当量热率，由采用的湍流模型以及壁面函数确定。等号导热系数