搜索火箭導彈二維繞流與噴流干擾流場數值模擬
2017-02-19 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
火箭導彈二維繞流與噴流干擾流場數值模擬
張正娟菅翌2
(1裝備指揮技術學院,北京 101416,2總裝25基地,山西,036304)
摘要:就一般的火箭導彈外形建立二維軸對稱模型,采用標準k-ε湍流模型,利用流體力學計算軟件fluent6.3對不同壓力的(0.5atm、2atm、5atm)噴流與外部來流干擾進行了數值模擬,得到了彈箭尾部等壓力、等密度、等馬赫數曲線圖,顯示了清晰的繞流波系結構。為彈箭設計提供理論依據和設計方法。
關鍵詞:火箭導彈 繞流 噴流 數值模擬 fluent
引言
發動機工作時,噴流對彈體底部壓力有很大的影響,特別是噴流與繞流的干擾嚴重地影響了彈體的空氣動力性能,進而直接影響到彈體的彈道性能[1]。試驗研究需要耗費大量的財力和人力,并且獲得的數據有限。本文就一般的火箭導彈外形建立二維軸對稱模型,利用流體力學計算軟件fluent對噴流與繞流進行了數值模擬,為火箭的氣動外形設計提供理論依據和設計方法。
1、湍流模型
k-ε模型是fluent提供的一種湍流模型,它把渦粘系數和湍動能及湍動能耗散聯系在一起,湍動粘度模型為[2]:
在模型中,表示湍動耗散率的ε被定義為:
在標準k-ε模型中,k和ε是兩個基本未知量,與之相對應的輸運方程為:
其中,
是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項,
是由于浮力引起的湍動能k的產生項,
代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻,
、
和
為經驗常數,
是k方程和ε方程的湍流Prandtl數,
和
是用戶自定義的源項。在本文中,常數取以下值:
、
、
、
、
。
2、數值模擬方法
2.1 網格劃分
本文計算的模型采用2D建模方法。采用簡化的火箭外形,以火箭的長度C為單位。計算區域為:左域取半徑為2C的半圓,右域取2C×2.5C的矩形。網格數為146×148。箭體附近以及尾焰部分網格加密。圖1是箭體的網格示意圖。
圖1 箭體網格示意圖
2.2流場計算
利用FLUENT6.3計算流體力學軟件,選擇基于密度的隱式求解器、標準k-ε湍流模型。其中的經驗常數取FLUENT的默認值。
箭體邊界除尾部噴流外,其它均采用固面無滑移邊界條件。由于計算區域外邊界遠離箭體,計算時采用遠場壓力條件,即給定遠場壓力值、溫度值以及來流的馬赫數、方向等。本文中取
、
、
,尾部噴流取
、
,分別計算了攻角為0°
的流場情況。并且計算了在
條件下攻角為
計算過程解算收斂條件:按系統默認為10-3。
3、計算結果及分析
圖2~4給出了不同尾部噴流壓力下的計算等密度線圖、等壓力線圖和等馬赫線圖。圖2是尾部噴流壓力為2atm時的計算結果,可以看到超聲速來流和噴流在彈底產生激波。噴流的壓力對干擾流場有較大的影響。當噴流壓力為5atm時,隨著噴流膨脹效應的增強,激波反射長度增加。
圖2 Pj=2atm, a=0°時計算結果
(a)Density contour (b) Pressure contour (c) Mach contour
圖3 Pj=5atm, a=0°時計算結果
(a)Density contour (b) Pressure contour (c) Mach contour
圖4 Pj=0.5atm, a=0°時計算結果
(a)Density contour (b) Pressure contour (c) Mach contour
圖5、6是尾部噴流壓力為5atm,攻角為10°與-10°時的計算結果。可以看出在超聲速有攻角條件下彈體繞流與噴流干擾流場的波系結構十分清晰,其中包括彈體頭部激波、彈底噴流與外繞流形成的分離區、分離激波和再附激波等。
圖5 Pj=5atm, a=10°時計算結果
(a)Density contour (b) Pressure contour (c) Mach contour
圖6 Pj=5atm, a=-10°時計算結果
(a)Density contour (b) Pressure contour (c) Mach contour
結束語
運用fluent的k-ε模型能模擬超聲速噴流與外部擾流復雜干擾流場,能夠得到清晰的波系結構。對于火箭導彈空氣動力設計,Fluent數值模擬是一種很有效的計算機實驗方法。
參考文獻:
[1] 苗瑞生,居賢銘,吳甲生.導彈空氣動力學[M].北京:國防工業出版社,2006.1.
[2] 張兆順,崔桂香,許春曉.湍流理論與模擬[M].北京:清華大學出版社,2005.9.
NUMERICAL STUDIES FOR INTERACTION FLOWFIELD BETWEEN FLOW AROUND BODY AND JET FLOW EXHAUSTING FROM ROCKET
ZHANG Zheng-juan JIAN Yi
(The Academy of Equipment Command & Technology, Beijing, 101416)
Abstract:Modeling 2D Turbulence Model according to the k-ε based on commonly Rocket symmetry 2D model. Numerical simulation interaction between different jet flow pressure(0.5atm、2atm、5atm) and flow around body were carried out on fluent. The computation results indicate that Numerical simulation on fluent can guiding the design of Rocket.
Key words:Rocket, Jet flow, Numerical simulation, fluent
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