CN110222467A - 一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，属于流体机械工程领域。本发明实现方法为：通过建立水下固体火箭发动机喷管的几何模型，建立流体计算域，对两流体计算域交界面进行几何优化，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数；将得到的最终网格文件导入到FLUENT求解器中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置，求解；通过对数值计算结果进行数值仿真分析及后处理，准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。
Description
技术领域
本发明属于流体机械工程领域，涉及一种水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流场结构和推力特性分析方法，尤其涉及基于CFD软件二次开发的一种水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流场结构和推力特性分析方法。
背景技术
潜射导弹的发射可以分为无动力和有动力发射。采用有动力导弹发射技术可以对潜射导弹弹体实现主动控制，能使其战斗力得到极大提升，而固体火箭发动机作为水下推进技术最为简便的动力源，目前是各类打击型潜射武器的首选动力。
固体火箭发动机在水下工作过程中高密度比、高背压，以及气-液之间的复杂相互作用，使发动机处于与大气环境发射完全不同的工作状态。对水下超声速气体射流的射流过程、流场结构与流场特征变化、推力变化规律与变化机理等进行深入研究，对于水中超音速气体射流研究有着重要的学术意义。同时，为了使导弹在水下航行时能够调整飞行姿态，获得更加灵活的机动性能，推力矢量控制装置必不可少，其中摆动喷管作为一种高效率的推力矢量控制方式得到了广泛应用，而喷管的摆动也将极大的增加喷管水下高速射流的复杂程度。目前，针对水下喷管摆动高速射流的外流场结构和推力特性还没有比较准确的分析手段和数值计算方法，有必要研究一种能够准确模拟喷管摆动高速射流流动特性的数值计算方法，了解发动机水下工作时水环境与燃气之间的相互作用原理、掌握扩张比及水深对发动机工作特性的影响，从而为合理预估推力值与噪声等发动机工作特性提供理论基础。
发明内容
针对上述问题和难点，本发明公开的水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性分析方法要解决的技术问题是：准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。
所述的水下喷管摆动高速射流实际应用工程问题包括水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流的流场结构分析问题、推力特性分析问题。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，通过建立水下固体火箭发动机喷管的几何模型，对水下固体火箭发动机喷管几何模型建立流体计算域，并对动计算域与静计算域交界面进行几何优化，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数。将得到的最终网格文件导入到FLUENT求解器中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置，求解。通过对数值计算结果进行后处理，得到水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流的气体体积分数云图、速度云图、压力云图、涡量图以及喷管的推力随时间变化的曲线图，能够准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。
本发明公开的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，包括如下步骤：
步骤一：建立几何模型。
以回转体结构的水下固体火箭发动机喷管为研究对象，确定回转体的几何参数，采用建模软件进行几何建模。
所述的建模软件选用ICEM CFD软件的几何构建功能。
步骤二：对步骤一建立的几何模型及流体计算域进行网格划分。
对步骤一中得到的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立流体计算域，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数。
步骤二具体实现方法包括如下步骤：
步骤2.1：对步骤一中在ICEM CDF软件中建立的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立足够大的流体计算域，足够大的流体计算域指大到能够忽略流域边界对水下固体火箭发动机喷管周围流场的影响，而后对水下固体火箭发动机喷管及流域各面进行定义；
步骤2.2：在步骤2.1中设置的喷管计算域为动计算域用于模拟喷管的转动，喷管外足够大的流体计算域为静计算域，在两计算域的交界面处进行几何优化，两计算域交界面设置为球面，保证动计算域在转动过程中两计算域交界面始终贴合且处于同一球面，并将喷管出口小球面设置为interface1，将与喷管出口旋转面结合的静计算域大球面设置为interface2，在仿真过程中通过两球面之间设置的interface对，进行数据传递；
步骤2.3：将流域分块划分结构化网格，考虑壁面效应水下固体火箭发动机喷管喉部、壁面及喷管出口旋转面处网格着重加密。为了保证计算精度的同时节省网格数量，在进行网格划分时，动、静计算域配合球面处的网格密集，且疏密程度相同，沿喷管轴线网格密度逐渐降低，同时在设置网格密度时必须保证y+在合理范围之内；
步骤2.4：进行网格无关性验证，以喷管出口外轴线处压力及气体轮廓双重指标作为验证标准，取多组不同网格数的流域进行相同工况的计算，针对计算结果取稳定流场中的喷管出口外轴线处压力及气体轮廓，前后两次预测结果均与实验结果差异小于预设值时网格达到计算精度，此时为最优值，即得到最优网格数。
步骤2.3中所述的y+＝yuτ/νl为衡量网格精度的指标，其中y为第一层网格的厚度，uτ为壁面摩擦速度，νl为水的运动黏度；所述的合理范围针对水下高速航行体优选30≤y+≤60。
步骤2.4中所述的预设值优选5％。
步骤二中所述的网格划分软件包括ICEM或POINTWISE软件。
步骤三：边界条件及计算方法设置。
将网格文件导入FLUENT中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置。
步骤三具体实现方法包括如下步骤：
步骤3.1：将网格文件导入FLUENT中。
步骤3.2：设置边界条件。
流域进口条件采用压力进口条件；出口条件采用压力出口条件，压力考虑环境水深；其余采用无滑移壁面边界条件。
步骤3.3：设置采用的计算模型。
基于N-S方程进行水下固体火箭发动机喷管高速射流流动计算，在多相流模型下采用VOF界面捕捉方法，开启能量方程，湍流模型采用标准k-ε模型。
步骤3.4：设置求解器计算方法。
采用双精度非定常求解器对水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流场进行数值模拟，选用SIMPLE算法，压力差值格式选用PRESTO！，动量方程、能量方程的离散方法均选用二阶迎风插值格式，湍流方程的离散方法均选用一阶迎风插值格式，体积分数的计算选用COMPRESSIVE插值格式。
步骤四：基于步骤一至步骤三开展水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性的数值计算分析。
准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。
还包括步骤五：利用步骤一至步骤四所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法对喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析，将数值模拟结果与实验结果经典实验数据对比，验证一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法的准确性，可行性。
步骤五具体实现方法包括如下步骤：
步骤5.1：利用后处理软件对Fluent中的计算结果进行后处理，得到压力、涡量、速度、体积分数流场信息云图以及定量的分布情况；
步骤5.2：将步骤5.1数值分析结果与实验结果或经典实验数据进行对比，验证一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法的准确性，可行性。
还包括步骤六：利用步骤一至步骤五所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法对喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析及后处理，得到水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流的气体体积分数云图、速度云图、压力云图、涡量图以及喷管的推力随时间变化的曲线图，能够准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，以揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，从而为水下固体火箭发动机摆动喷管的结构设计提供理论基础，并能够解决水下导弹发射的实际应用工程问题。
有益效果：
1、本发明公开的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，对水下固体火箭发动机喷管几何模型建立流体计算域，在计算域之间设置interface进行数据传递，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数，基于上述设置实现对喷管摆动工况下喷管外流场的流场特性的精确模拟。
2、本发明公开的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，将数值模拟结果与实验结果经典实验数据对比，验证一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法的准确性，可行性。
3、本发明公开的一种喷管摆动高速射流流动特性的分析方法，对喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析，以揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，从而为水下固体火箭发动机摆动喷管的结构设计提供理论基础，并能够解决水下导弹发射实际应用工程问题。
附图说明
图1本发明的一种高速可压缩超空泡流动特性的分析方法的流程图；
图2本发明实施例中网格划分示意图，其中：图2.1为全局网格，图2.2为喷管区域局部剖面加密网格(xoy平面)；
图3本发明实施例中边界条件设置示意图，其中：图3.1摆动工况下计算流域边界条件示意图，图3.2喷管区域局部放大图；
图4本发明实施例中数值方法准确性验证图；
图5本发明实施例中不同摆动角度下数值仿真结果气体体积云图；
图6本发明实施例中不同摆动角度下数值仿真结果涡量图；
图7本发明实施例中不同时刻数值仿真结果气相轮廓图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明涉及的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，利用本发明的方法结合附图和实施例进行了测试计算，使得技术方案和有益效果更加清楚。
实施例1：
本实施例选取国外已公开的常温低压条件下的水下喷管超音速气体射流实验中所应用到的喷管结构为分析对象。
如图1所示，本实施例公开的水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性的分析方法，具体实施步骤如下：
步骤一：建立几何模型。
以回转体结构的水下固体火箭发动机喷管为研究对象，确定了回转体的几何参数，采用建模软件进行了几何建模，如图2所示，为本发明实施例中所使用水下固体火箭发动机喷管几何模型示意图。
步骤二具体实现方法包括如下步骤：
步骤2.1：对步骤一中在ICEM CDF软件中建立的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立足够大的流体计算域，足够大的流体计算域指大到能够忽略流域边界对水下固体火箭发动机喷管周围流场的影响，而后对水下固体火箭发动机喷管及流域各面进行定义；
步骤2.2：在步骤2.1中设置的喷管计算域为动计算域用于模拟喷管的转动，喷管外足够大的流体计算域为静计算域，在两计算域的交界面处进行几何优化，如图3.2所示，两计算域交界面设置为球面，保证动计算域在转动过程中，两计算域交界面始终贴合，处于同一球面，并将喷管出口小球面设置为interface1，将与喷管出口旋转面结合的静计算域大球面设置为interface2，在仿真过程中通过两球面之间设置的interface对，进行数据传递；
步骤2.3：将流域分块划分结构化网格，考虑壁面效应水下固体火箭发动机喷管喉部、壁面及喷管出口旋转面处网格着重加密。为了保证计算精度的同时节省网格数量，在进行网格划分时，动、静计算域配合球面处的网格密集，且疏密程度相同，沿喷管轴线网格密度逐渐降低，同时在设置网格密度时必须保证y+在合理范围之内；
步骤2.4：进行网格无关性验证，以喷管出口外轴线处压力及气体轮廓双重指标作为验证标准，取多组不同网格数的流域进行相同工况的计算，针对计算结果取稳定流场中的喷管出口外轴线处压力及气体轮廓，前后两次预测结果均与实验结果差异小于预设值5％时网格达到计算精度，此时为最优值，即得到最优网格数。
步骤2.3中所述的y+＝yuτ/νl为衡量网格精度的指标，其中y为第一层网格的厚度，uτ为壁面摩擦速度，νl为水的运动黏度；所述的合理范围针对水下高速航行体优选30≤y+≤60。
步骤2.1中所述的网格划分软件选择ICEM，最终确定的网格如图3所示，为本发明实施例中网格划分示意图。
步骤三：边界条件及计算方法设置。
步骤三具体实现方法包括如下步骤：
步骤3.1：将网格文件导入FLUENT中。
步骤3.2：设置边界条件。
流域进口条件采用速度进口条件；出口条件采用压力出口条件，压力考虑环境水深；其余采用无滑移壁面边界条件，具体如图4所示，本发明实施例中边界条件设置示意图。
步骤3.3：设置采用的计算模型。
基于N-S方程进行空化流动计算，在均相流模型下采用VOF界面捕捉方法，开启能量方程，湍流模型采用k-ε模型。
步骤3.4：设置计算方法。
采用双精度非定常求解器对水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流场进行数值模拟，选用SIMPLE算法，压力差值格式选用PRESTO！，动量方程、能量方程的离散方法均选用二阶迎风插值格式，湍流方程的离散方法均选用一阶迎风插值格式，体积分数的计算选用COMPRESSIVE差值格式。
步骤四：基于步骤一至步骤三的设置开展水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性的数值计算分析，即实现一种喷管摆动高速射流流动特性的分析方法。
步骤五具体实现方法包括如下步骤：
步骤5.1：利用后处理软件对Fluent中的计算结果进行后处理，得到压力、涡量、速度、体积分数等流场信息云图以及定量的分布情况；
步骤5.2：将步骤5.1数值分析结果与实验结果或经典实验数据进行对比，验证验证数值计算方法的准确性，可行性。
还包括步骤六：数值结果可视化展示如图5-7所示，分别为本发明实施例中不同喷管转动角下数值仿真结果的气体体积分数云图、涡量图及不同时刻数值仿真结果气相轮廓图，针对所述流场结果，利用步骤一至步骤五所述的一种水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性的分析方法对水下喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析，以揭示水下喷管摆动高速射流流动规律及机理，从而为水下固体火箭发动机摆动喷管的结构设计提供理论基础，并能够解决水下导弹发射实际应用工程问题。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：建立几何模型；
步骤二：对步骤一建立的几何模型及流体计算域进行网格划分；
对步骤一中得到的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立流体计算域，并对两流体计算域交界面进行几何优化，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数；
步骤三：边界条件及计算方法设置；
将网格文件导入FLUENT中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置；
步骤四：基于步骤一至步骤三开展水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性的数值计算分析；
准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。
2.如权利要求1所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：还包括步骤五，利用步骤一至步骤四所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法对喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析，将数值模拟结果与实验结果经典实验数据对比，验证一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法的准确性，可行性。
3.如权利要求2所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：还包括步骤六，利用步骤一至步骤五所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法对喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析及后处理，得到水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流的气体体积分数云图、速度云图、压力云图、涡量图以及喷管的推力随时间变化的曲线图，能够准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，以揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，从而为水下固体火箭发动机摆动喷管的结构设计提供理论基础，并能够解决水下导弹发射的实际应用工程问题。
4.如权利要求1、2或3所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：步骤一实现方法为，
以回转体结构的水下固体火箭发动机喷管为研究对象，确定回转体的几何参数，采用建模软件进行几何建模。
5.如权利要求4所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：步骤二具体实现方法包括如下步骤，
步骤2.1：对步骤一中在ICEM CDF软件中建立的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立足够大的流体计算域，足够大的流体计算域指大到能够忽略流域边界对水下固体火箭发动机喷管周围流场的影响，而后对水下固体火箭发动机喷管及流域各面进行定义；
步骤2.2：在步骤2.1中设置的喷管计算域为动计算域用于模拟喷管的转动，喷管外足够大的流体计算域为静计算域，在两计算域的交界面处进行几何优化，两计算域交界面设置为球面，保证动计算域在转动过程中两计算域交界面始终贴合且处于同一球面，并将喷管出口小球面设置为interface1，将与喷管出口旋转面结合的静计算域大球面设置为interface2，在仿真过程中通过两球面之间设置的interface对，进行数据传递；
步骤2.3：将流域分块划分结构化网格，考虑壁面效应水下固体火箭发动机喷管喉部、壁面及喷管出口旋转面处网格着重加密；为了保证计算精度的同时节省网格数量，在进行网格划分时，动、静计算域配合球面处的网格密集，且疏密程度相同，沿喷管轴线网格密度逐渐降低，同时在设置网格密度时必须保证y+在合理范围之内；
步骤2.4：进行网格无关性验证，以喷管出口外轴线处压力及气体轮廓双重指标作为验证标准，取多组不同网格数的流域进行相同工况的计算，针对计算结果取稳定流场中的喷管出口外轴线处压力及气体轮廓，前后两次预测结果均与实验结果差异小于预设值时网格达到计算精度，此时为最优值，即得到最优网格数。
6.如权利要求4所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：步骤三具体实现方法包括如下步骤，
步骤3.1：将网格文件导入FLUENT中；
步骤3.2：设置边界条件；
流域进口条件采用压力进口条件；出口条件采用压力出口条件，压力考虑环境水深；其余采用无滑移壁面边界条件；
步骤3.3：设置采用的计算模型；
基于N-S方程进行水下固体火箭发动机喷管高速射流流动计算，在多相流模型下采用VOF界面捕捉方法，开启能量方程，湍流模型采用标准k-ε模型；
步骤3.4：设置求解器计算方法；
采用双精度非定常求解器对水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流场进行数值模拟，选用SIMPLE算法，压力差值格式选用PRESTO！，动量方程、能量方程的离散方法均选用二阶迎风插值格式，湍流方程的离散方法均选用一阶迎风插值格式，体积分数的计算选用COMPRESSIVE插值格式。
7.如权利要求6所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：步骤五具体实现方法包括如下步骤，
步骤5.1：利用后处理软件对Fluent中的计算结果进行后处理，得到压力、涡量、速度、体积分数流场信息云图以及定量的分布情况；
步骤5.2：将步骤5.1数值分析结果与实验结果或经典实验数据进行对比，验证一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法的准确性，可行性。
8.如权利要求7所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：步骤2.3中所述的y+＝yuτ/νl为衡量网格精度的指标，其中y为第一层网格的厚度，uτ为壁面摩擦速度，νl为水的运动黏度；所述的合理范围针对水下高速航行体选30≤y+≤60；
步骤2.4中所述的预设值选5％。
9.如权利要求7所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：步骤一中所述的建模软件选用ICEM CFD软件的几何构建功能；
步骤二中所述的网格划分软件包括ICEM或POINTWISE软件。
10.如权利要求7所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：所述的水下喷管摆动高速射流实际应用工程问题包括水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流的流场结构分析问题、推力特性分析问题。
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