噴管在深水中噴射流動的計算課件

噴管在深水中噴射流動的計算

翟大熙安亦然問題的提出本課題是《火箭噴管推力矢量特性計算》的第二部分任務(wù)：“噴管在水下噴射時，周圍的水是否會流入噴管？”在此之前已經(jīng)使用FLUENT5.5完成了推力特性計算和高背壓單相流計算；希望使用FLUENT6.0解決這一可壓縮－不可壓縮兩相流的計算任務(wù)

問題的物理背景噴管在水下環(huán)境中籍燃?xì)獾膰娚洌ㄉ淞鳎┮援a(chǎn)生推力，從流體力學(xué)的角度看，是屬于一種兩相流的流體動力學(xué)問題。具體到本問題：涉及的流體物質(zhì)有燃?xì)夂退畠煞N，在深水環(huán)境下具有較大的外圍環(huán)境壓力（背壓）。當(dāng)噴管內(nèi)的燃?xì)馍淞髟趪姽艹隹诘膲毫π∮诒硥簳r，射出的燃?xì)饩蜁艿酵鈬乃膲浩取＿@就引起了“水是否會進(jìn)入噴管”的疑問。對上述疑問的定性判斷在原本靜止的條件下，流體是流向管內(nèi)還是從管內(nèi)向管外流，取決于管內(nèi)流體總壓小于還是大于環(huán)境壓力。在本問題中，盡管背壓較大，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃?xì)獾目倝?，因此燃?xì)饪梢跃芩诠芡?。對問題的進(jìn)一步分析從已進(jìn)行的單相流計算（單一物質(zhì)為燃?xì)猓硥旱扔谒畨?，總?.3MPa，總溫3400K和背壓0.5MPa，三維無擾流片（實質(zhì)是屬于軸對稱流動））結(jié)果來分析，如果將外圍流體換成水，射流引射和壓差引起的流場物理量變化幅度似乎還應(yīng)更小一些。這種粗略的分析不能完全取代精細(xì)的計算。因此我們進(jìn)行了燃?xì)馔ㄟ^噴管在深水環(huán)境下的流動的計算。以燃?xì)鉃榻橘|(zhì)的單相流壓力分布計算遇到的困難采用FLUENT提供的三種多相流模型均無法收斂（即使按非定長計算）VOFModelMixtureModelEulerianModelMixtureModelYoumustusethesegregatedsolver.Themixturemodelisnotavailablewitheitherofthecoupledsolvers.Onlyoneofthephasescanbecompressible.Streamwiseperiodicflow(eitherspecifiedmassflowrateorspecifiedpressuredrop)cannotbemodeledwhenthemixturemodelisused.Speciesmixingandreactingflowcannotbemodeledwhenthemixturemodelisused.Solidificationandmeltingcannotbemodeledinconjunctionwiththemixturemodel.TheLESturbulencemodelcannotbeusedwiththemixturemodel.Thesecond-orderimplicittime-steppingformulationcannotbeusedwiththemixturemodel.Themixturemodelcannotbeusedforinviscidflows.Theshellconductionmodelforwallscannotbeusedwiththemixturemodel.EulerianModelOnlythek-modelscanbeusedforturbulence.Particletracking(usingtheLagrangiandispersedphasemodel)interactsonlywiththeprimaryphase.Streamwiseperiodicflow(eitherspecifiedmassflowrateorspecifiedpressuredrop)cannotbemodeledwhentheEulerianmodelisused.Compressibleflowisnotallowed.Inviscidflowisnotallowed.Thesecond-orderimplicittime-steppingformulationcannotbeusedwiththeEulerianmodel.Meltingandsolidificationarenotallowed.Speciestransportandreactionsarenotallowed.Heattransfercannotbemodeled.Theonlytypeofmasstransferbetweenphasesthatisallowediscavitation;evaporation,condensation,etc.arenotallowed.解決困難的方法物理模型采用兩相物質(zhì)有相互摻混的混合物的輸運模型?；旌衔锏奈镄裕ū葻酑p、熱傳導(dǎo)系數(shù)、粘性、質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)）有各種方式可供選擇。我們對于質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)更為關(guān)注，它的選項包括dilute-approx、muiticomponent、kinetic-theory和user-defined四種，在我們的計算中分別選用過kinetic-theory和muiticomponent方式。特別說明：FLUENT組成混合物的各種組份必須具有相同類型的狀態(tài)方程，因此通常作為不可壓縮流體處理的水在這里也必須改為理想氣體（完全氣體）。為此利用在環(huán)境壓力和溫度條件下具有水的真實密度這一要求，生成了它的“分子量”。雖然這一新的理想氣體并不是真實的液體水，但由于在外圍絕大部分區(qū)域的壓力、溫度與規(guī)定的環(huán)境壓力、溫度相差不大，因此可以相信，它的密度變化并不大，即和水的密度非常接近。定常，層流或湍流模式（κ－εRNG）。

Material:water(fluid)PropertyUnitsMethodValue(s)------------------------------------------------------------Cp(SpecificHeat)j/kg-kconstant4182ThermalConductivityw/m-kconstant0.60000002Viscositykg/m-sconstant1.003e-05MolecularWeightkg/kgmolconstant4982.4399（18）L-JCharacteristicLengthangstromconstant2.605L-JEnergyParameterkconstant572.40002DegreesofFreedomconstant0幾何計算沒有考慮擾流片的插入，采用了二維軸對稱幾何條件。計算區(qū)域的空間范圍與原三維計算相同。為了賦于初始流場及分析物理量的變化趨勢，將整個計算區(qū)域由噴管入口開始向后及向外依次劃分為fluid1,fluid2,fluid3,fluid4和fluid5等5個區(qū)域。在上述區(qū)域劃分中，caxis,daxis和taxis是軸線的三段；cwall和dwall是噴管壁面，twall是噴管尾部的壁面；inlet是燃?xì)赓|(zhì)量流入口，leading則是外圍物質(zhì)水的速度入口；剩下的區(qū)域外邊界則設(shè)為壓力出口：side是后場的側(cè)面，outlet-center和outlet1、outlet2則是后場區(qū)域的后邊界；而interior1和interior2則分別是相鄰流體區(qū)域的內(nèi)部邊界。邊界條件和初始條件噴管入口為燃?xì)赓|(zhì)量流入口，質(zhì)量流量為相應(yīng)于總壓9.3MPa、總溫3400K的8.4132kg/s；后場前端圓環(huán)面（leading）為水的速度入口，具有環(huán)境壓力0.5MPa、溫度300K及入口速度10m/s；后場側(cè)面（side）后場后方outlet-center、outlet1和outlet2為壓力出口，相應(yīng)的環(huán)境壓力0.5MPa及溫度300K。初始流場包括初始化（Initialize）和打補(bǔ)?。≒atch）。初始化從后場壓力出口開始，給出壓力初始值500000Pa，零速度和初始溫度300K，燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0。為改善這種過于粗糙的近似，有必要進(jìn)行Patch的工作，對若干變量換用更合適的數(shù)值或函數(shù)。例如，噴管內(nèi)（或再加射流出口后方的fluid3）燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)改為1；噴管內(nèi)