火箭导弹二维绕流与喷流干扰流场数值模拟

2017-02-19 by:CAE仿真在线来源:互联网

火箭导弹二维绕流与喷流干扰流场数值模拟

张正娟菅翌2

(1装备指挥技术学院,北京 101416,2总装25基地,山西,036304)

摘要:就一般的火箭导弹外形建立二维轴对称模型,采用标准k-ε湍流模型,利用流体力学计算软件fluent6.3对不同压力的(0.5atm、2atm、5atm)喷流与外部来流干扰进行了数值模拟,得到了弹箭尾部等压力、等密度、等马赫数曲线图,显示了清晰的绕流波系结构。为弹箭设计提供理论依据和设计方法。

关键词:火箭导弹绕流喷流数值模拟 fluent

引言

发动机工作时,喷流对弹体底部压力有很大的影响,特别是喷流与绕流的干扰严重地影响了弹体的空气动力性能,进而直接影响到弹体的弹道性能[1]。试验研究需要耗费大量的财力和人力,并且获得的数据有限。本文就一般的火箭导弹外形建立二维轴对称模型,利用流体力学计算软件fluent对喷流与绕流进行了数值模拟,为火箭的气动外形设计提供理论依据和设计方法。

1、湍流模型

k-ε模型是fluent提供的一种湍流模型,它把涡粘系数和湍动能及湍动能耗散联系在一起,湍动粘度模型为[2]:

(1)

Cu是常量。

在模型中,表示湍动耗散率的ε被定义为:

(2)

在标准k-ε模型中,k和ε是两个基本未知量,与之相对应的输运方程为:

(3)

其中,

是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,

是由于浮力引起的湍动能k的产生项,

代表可压湍流中脉动扩张的贡献,

、

和

为经验常数,

和

是k方程和ε方程的湍流Prandtl数,

和

是用户自定义的源项。在本文中,常数取以下值:

、

、

、

、

。

2、数值模拟方法

2.1 网格划分

本文计算的模型采用2D建模方法。采用简化的火箭外形,以火箭的长度C为单位。计算区域为:左域取半径为2C的半圆,右域取2C×2.5C的矩形。网格数为146×148。箭体附近以及尾焰部分网格加密。图1是箭体的网格示意图。

图1 箭体网格示意图

2.2流场计算

利用FLUENT6.3计算流体力学软件,选择基于密度的隐式求解器、标准k-ε湍流模型。其中的经验常数取FLUENT的默认值。

箭体边界除尾部喷流外,其它均采用固面无滑移边界条件。由于计算区域外边界远离箭体,计算时采用远场压力条件,即给定远场压力值、温度值以及来流的马赫数、方向等。本文中取

、

、

,尾部喷流取

、

,分别计算了攻角为0°

时

的流场情况。并且计算了在

条件下攻角为

10°和-10°的流场。

计算过程解算收敛条件:按系统默认为10-3。

3、计算结果及分析

图2~4给出了不同尾部喷流压力下的计算等密度线图、等压力线图和等马赫线图。图2是尾部喷流压力为2atm时的计算结果,可以看到超声速来流和喷流在弹底产生激波。喷流的压力对干扰流场有较大的影响。当喷流压力为5atm时,随着喷流膨胀效应的增强,激波反射长度增加。