沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)二元外壓式超聲速進(jìn)氣道流場(chǎng)數(shù)值模擬

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)二元外壓式超聲速進(jìn)氣道流場(chǎng)數(shù)值模擬

由于其抗張力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可靠性、負(fù)載密度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，引起了研究人員的關(guān)注。由于壓縮和足夠的空氣流量由進(jìn)氣道完成，因此超聲速進(jìn)氣道的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)能否有效工作的關(guān)鍵。由于進(jìn)氣道的實(shí)際流動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜,不僅以粘性流動(dòng)為主而且存在大量激波-膨脹波、激波-附面層之間的相互干涉作用、附面層分離和轉(zhuǎn)捩。近年來(lái)隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)值模擬研究正逐漸成為進(jìn)氣道流場(chǎng)研究的主要手段。本文采用了有限體積法、k-ε湍流模型求解N-S方程,模擬了外壓式進(jìn)氣道流場(chǎng),旨在研究進(jìn)氣道內(nèi)流動(dòng)特點(diǎn),為該類發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明,該方法能夠獲得較好的流場(chǎng)數(shù)值解并且能夠得到較高的激波分辨率。1喉道長(zhǎng)度和長(zhǎng)度進(jìn)氣道的功能是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供空氣,并讓空氣在進(jìn)氣道中減速增壓,為燃燒室建立正常工作創(chuàng)造條件。為了保證總壓恢復(fù)系數(shù)最大,在外壓區(qū)超聲速擴(kuò)壓段設(shè)計(jì)中采用Oswatitsch最佳波系理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。該理論要求各道斜激波前法向Ma數(shù)相等,即:M1sinβ1=M2sinβ2=……Mn-1sinβn-1(1)在喉道設(shè)計(jì)中,若喉道長(zhǎng)度等于激波系長(zhǎng)度,則壓縮過(guò)程總壓恢復(fù)是進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)可獲得的最大值;若喉道長(zhǎng)度大于激波系長(zhǎng)度,那么由于存在粘性損失,總壓恢復(fù)系數(shù)會(huì)隨著喉道長(zhǎng)度增加而逐漸降低;若喉道長(zhǎng)度小于激波系長(zhǎng)度,那么總壓恢復(fù)系數(shù)將會(huì)隨著喉道長(zhǎng)度減少而迅速降低。本文喉道長(zhǎng)度的選取根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取l=4ht,其中ht為喉道高度。亞聲速擴(kuò)壓段中,氣流流動(dòng)是亞聲速的,所以在該段擴(kuò)壓能力不大,所以這部分設(shè)計(jì)主要是為了保證進(jìn)氣道能為燃燒室提供穩(wěn)定均勻的氣流,保證燃燒的穩(wěn)定。對(duì)亞聲速擴(kuò)壓段設(shè)計(jì)有3種方法等壓力梯度、等馬赫數(shù)梯度和等面積比,3種方法都能保證亞聲速擴(kuò)壓段有良好的特性。本文采用等面積比方法,擴(kuò)張角為6°。本文設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道波系選擇為3道斜激波和1道正激波,外壓區(qū)總轉(zhuǎn)角為24°,圖1為二元超聲速進(jìn)氣道的示意圖。2計(jì)算值的方法2.1qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq流場(chǎng)的復(fù)雜性決定了描述方程的復(fù)雜度,本文采用笛卡兒坐標(biāo)系下二維N-S方程對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行描述。?Q??t+?(E??E?ν)?x+?(F??F?ν)?y=H?(2)?Q??t+?(E?-E?ν)?x+?(F?-F?ν)?y=Η?(2)其中:Q?=???????????ρρuρνρet???????????E?=??????ρuρuu+pρνu(ρet+p)u??????,Q?={ρρuρνρet}E?=(ρuρuu+pρνu(ρet+p)u),F?=??????ρνρuνρνν+p(ρet+p)ν??????,et=e+12(u2+ν2)F?=(ρνρuνρνν+p(ρet+p)ν),et=e+12(u2+ν2)E?ν=Rxx?Q?ν?x+Rxy?Q?ν?yE?ν=Rxx?Q?ν?x+Rxy?Q?ν?yF?ν=Ryx?Q?ν?x+Ryy?Q?ν?yF?ν=Ryx?Q?ν?x+Ryy?Q?ν?yQ?ν=?????puνT?????Q?ν=(puνΤ),為粘性變量,而Q?Q?叫做守恒變量。其中ρ為氣流密度,p為氣流壓力,u、v分別為x、y兩個(gè)方向的速度分量,qi和τij(i,j分別為x,y)為熱傳導(dǎo)項(xiàng)和粘性項(xiàng),e為單位體積的總能量。2.2單次大/模型在本文的數(shù)值計(jì)算中,采用有限體積法、TVD隱式的二階迎風(fēng)格式,湍流模型采用k-ε湍流模型,它是在渦粘模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其渦粘系數(shù)包含部分歷史效應(yīng)。具體來(lái)說(shuō),它把渦粘系數(shù)和湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散聯(lián)系在一起νt=Cμk2/ε,而k和ε則可分別用它們的輸運(yùn)方程解出。在此模型中,最先發(fā)展起來(lái)的是標(biāo)準(zhǔn)(Standard)k-ε模型,由于其存在許多缺點(diǎn)已經(jīng)從同類湍流模型中敗下陣來(lái)。而現(xiàn)在廣泛使用的是重整化群k-ε模型,此模型基于多尺度隨機(jī)過(guò)程的重整化思想,在高雷諾數(shù)的極限情況,重整化群k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有相同的公式,但是模型常數(shù)由重整化群理論算出:Cμ=0.0837,Cε1=1.063,Cε2=1.7215,σk=0.7179,σε=0.7179。2.3自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)本文為了更好地模擬壁面附近的附面層的流動(dòng)情況,計(jì)算中采用等比法加密了固體壁面附近的計(jì)算網(wǎng)格,計(jì)算網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,如圖2所示。另外在計(jì)算過(guò)程中,還采用了自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。流場(chǎng)計(jì)算的邊界條件為:(1)進(jìn)口邊界:給定總溫、總壓和來(lái)流馬赫數(shù)。(2)出口邊界:為亞聲速流動(dòng),給定出口反壓,其余參與一階外推。(3)遠(yuǎn)場(chǎng)邊界:采用一階外推。(4)壁面邊界:采用無(wú)滑移壁面條件,并滿足壁面條件及零壓力梯度條件。uw=Vw=ww=0(3)?T?n∣∣w=0?P?n∣∣w=0(4)?Τ?n|w=0?Ρ?n|w=0(4)上式中下標(biāo)“w”表示壁面處,溫度和壓力梯度采用一階差分計(jì)算。3進(jìn)氣道反壓時(shí)內(nèi)壓的變化本文對(duì)進(jìn)氣道在進(jìn)口為設(shè)計(jì)條件,飛行馬赫數(shù)為3.0,高度12000m,出口反壓分別為0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。圖3、圖4、圖5分別為反壓0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa的等壓線圖。通過(guò)對(duì)圖3、圖4、圖5的比較可以看出,外壓3道斜激波都匯交在唇口,這樣可以減少溢流阻力,使流量系數(shù)最大;并且隨著反壓的影響可以看到進(jìn)氣道內(nèi)部的正激波前移,圖4表明反壓達(dá)到0.5MPa時(shí)正激波位于喉道位置。圖6、圖7、圖8分別為出口反壓為0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa時(shí)的等馬赫數(shù)圖。通過(guò)對(duì)圖6、圖7、圖8進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣道擴(kuò)張段的下表面都有分離,通過(guò)圖可以看到0.3MPa時(shí)分離區(qū)最大,0.4MPa次之,0.5MPa分離區(qū)很小,這是由于正激波出現(xiàn)在進(jìn)氣道擴(kuò)張段,由于擴(kuò)壓角較大,從而導(dǎo)致在結(jié)尾正激波后的下壁面出現(xiàn)回流區(qū),由于有回流區(qū)的出現(xiàn),一定程度上造成了能量損失,影響進(jìn)氣道性能。氣流在進(jìn)氣道喉道處產(chǎn)生一系列斜激波,所以在進(jìn)氣道工作時(shí)喉道要包含整個(gè)波系,在喉道段產(chǎn)生正激波,這樣能保證高的總壓恢復(fù)系數(shù)。通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算得到的總壓恢復(fù)系數(shù)分別為:0.507、0.613、0.729,也可以看到在反壓高的情況下總壓恢復(fù)系數(shù)高,主要因?yàn)榉磯焊叩那闆r下壁面分離區(qū)比較小,逆流不嚴(yán)重,氣流之間的相互擾動(dòng)比較小,所以進(jìn)氣道內(nèi)部的總壓損失主要來(lái)自于氣流流動(dòng)是否穩(wěn)定均勻,因此進(jìn)氣道擴(kuò)壓段的設(shè)計(jì)是為了保證為發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定氣流,不是將氣流進(jìn)一步擴(kuò)壓。進(jìn)氣道出口平均馬赫數(shù)分別為0.46、0.31和0.24,可以看出隨著進(jìn)氣道反壓的增大,出口馬赫數(shù)在降低,有利于燃燒室內(nèi)燃燒穩(wěn)定。圖9、圖10分別為反壓達(dá)到0.55MPa時(shí)的流場(chǎng)等壓線和等馬赫數(shù)圖,可以看到正激波被推出唇口,造成了進(jìn)氣道的不啟動(dòng)。進(jìn)氣道不啟動(dòng)不僅增加了溢流阻力,而且使流量系數(shù)降低,使發(fā)動(dòng)機(jī)供氣不足,嚴(yán)重情況下會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)停車,所以這種情況盡可能避免出現(xiàn)。圖11為進(jìn)氣道出口馬赫數(shù)分布圖,可以看出,隨著出口反壓的提高,進(jìn)氣道出口馬赫數(shù)越均勻,越有利于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作。4進(jìn)氣道出口總壓的計(jì)算研究進(jìn)氣道的畸變可以衡量進(jìn)氣道出口流場(chǎng)的好壞以及定量地研究進(jìn)氣道畸變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性裕度的影響,可利用公式Dˉˉˉ=(ptmax?ptmin)ptaν×100％(5)Dˉ=(ptmax-ptmin)ptaν×100％(5)計(jì)算。圖12為3種反壓進(jìn)氣道出口的總壓分布圖。通過(guò)計(jì)算得反壓為0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa的穩(wěn)態(tài)畸變分別為:58.4%、25.2%和9.9%?？梢钥闯稣げǖ奈恢脤?duì)進(jìn)氣道性能的影響非常關(guān)鍵。5元外壓式進(jìn)氣道數(shù)值研究進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)在滿足設(shè)計(jì)條