燃氣舵流固耦合傳熱數值分析

摘要：以推力矢量燃氣舵為研究對象，采用流固耦合傳熱數值分析方法，得到了舵偏角分別為0°，5°，10°，15°，20°時燃氣舵流場及流固溫度場，并將流固耦合傳熱條件下的流場參數及溫度場參數分別與相應的純氣相條件下的參數進行對比，為燃氣舵的氣動設計、熱應力分析，以及隔熱防護給出了指導性結論，分析結果很好地符合了試驗結果，具有良好的工程應用性。

關鍵詞：耦合傳熱；燃氣舵；數值分析

中圖分類號：V435 文獻標識碼：A 文章編號：1673—5048（2013）03—0041—03

0 引言

燃氣舵是一種工作在火箭燃氣噴流中的特殊翼，它由翼面間存在的壓力差形成力或者力矩，用于導彈的推力矢量控制。隨著導彈機動性要求的提高，燃氣舵在空空導彈和垂直發射導彈中得到越來越多的應用，這對燃氣舵設計也提出了更高的要求。

燃氣舵設計包括燃氣舵結構設計和燃氣舵材料設計。結構設計既要保證燃氣舵具有良好的氣動特性，滿足控制力和力矩的要求，又要保證其具有足夠的強度和剛度。不至于在高溫、高速燃氣流的沖擊下變形和破壞：材料設計主要是要考慮到燃氣舵長時間工作在高溫燃氣流中，必須有足夠的抗燒蝕和耐沖刷能力。這兩部分的設計內容均與燃氣舵的工作環境密切相關，因此，給出燃氣舵周圍流場和其自身溫度場的分布對于燃氣舵結構和材料設計具有重要意義，反過來還可以用來檢驗已有設計的合理性和可靠性。

為了得到燃氣舵周圍流場和其自身溫度場的分布，國內外學者進行了一定的試驗和數值研究。試驗方面，Danielson對燃氣舵表面的溫度分布和燒蝕率進行了試驗測量，但由于燃氣舵的惡劣工作環境，很難獲得真實值。Hamel等人在風洞中對燃氣舵模型進行了來流馬赫數3和3.5，攻角變化范圍-20°-20°下冷態試驗，試驗獲得了舵面的氣動力和壓力系數。風洞試驗中也僅能采用冷態試驗，無法真實還原燃氣舵的工作環境。相比之下，數值分析在獲取分析結果以及模擬燃氣舵工作環境方面更具優勢，隨著計算機技術和數值分析方法的發展，數值分析在燃氣舵設計中起到不可替代的作用。Yu和Cho等人利用商用軟件Fluent對燃氣舵的溫度場分布開展了數值研究：劉洋等也曾對固體火箭發動機燃氣舵傳熱進行過數值研究。上述兩者均受計算量及計算耗時的制約，采用順序間接耦合計算方法，按順序進行兩次或多次的分析，其實質是把整個流場域分成多個部分并分別對其進行數值分析，忽略了各區域間的影響。本文對固體域與流體域同時進行計算并考慮兩者之間的耦合傳熱，與實際情況更相符，對實際應用更具指導意義。

1 數值模型

整個計算域如圖1所示，高溫高壓亞音速燃氣由質量入口流入，經收斂段、等直段、喉部進入擴張段膨脹加速得到超音速，舵片即安裝在擴張段出口處。通過舵片的轉動進而改變舵片表面上壓力的分布，得到導彈需要的控制力和力矩。采用以下邊界條件：（1）噴管人口：質量流人口條件，設定質量流量和總溫參數。（2）舵基和舵片上與流體區域交界面：流固耦合壁面條件。（3）區域外邊界：壓強出口條件，氣流流出時，所有參數外推；流入時固定壓力和溫度。（4）其他壁面：絕熱壁面條件。

本文計算模型的建立基于非結構網格生成技術，主要考慮其設置時間少、適應性好等特點。約120萬單元體。計算選擇三維、黏性、κ-εRNG湍流模型作為求解基礎。流動方程先采用一階迎風差分格式，得到粗糙的流場參數，然后對流場進行溫度梯度適應，再采用二階迎風差分格式。得到更精確的解。湍流方程則始終采用一階迎風差分格式，選用顯式耦合求解器求解。流場基本參數及舵片物性參數見表1和表2。

2 計算結果分析

2.1 舵片氣動力分析

通過計算得到考慮流固耦合傳熱條件下舵偏角分別為0°，5°，10°，15°和20°時燃氣舵流場及流固溫度場分布。對比純氣相情況下舵片阻力、升力結果，如圖2～3所示。其中：Fx代表純氣相條件下舵片阻力；Fx′代表流固耦合傳熱條件下舵片阻力；Fx代表純氣相條件下舵片升力；Fy′’代表流固耦合傳熱條件下舵片升力。

由圖2-3可以看出，流固耦合傳熱對于舵片氣動力的影響不大，因此出于計算量的考慮，在工程應用中忽略舵片傳熱的影響。

2.2 舵片溫度場分析

圖4—9給出了流固耦合傳熱條件下，舵片表面及舵基內表面溫度等值線云圖。

由圖4、圖7可知，舵偏角0°時，舵片對于流場的擾動相當于楔形塊，來自發動機出口的超音速氣流在舵片前緣處滯止并形成脫體激波。前緣稍外側的氣流由于受到舵片上下楔形面的折轉而形成斜激波。氣流經過激波溫度升高，而且溫度升高的程度與激波的強度成正比。由于從前緣起激波強度逐漸減弱，因此溫度也逐步降低。當氣流流過舵片最大厚度處，流動通道增大，氣流膨脹加速，而溫度則進一步降低。在后緣處兩股氣流匯合形成后緣駐點使溫度有所提高。最終形成圖4和圖7的溫度分布。而且此時攻角為0°，氣流對兩面的作用相同，圖4和圖7的溫度分布基本對稱。

由圖5、圖8可知，隨著舵偏角增大到10°，舵片迎風面對氣流的壓縮作用逐漸增強。而背風面則逐步變成膨脹過程。但由于舵偏角還較小，氣流的改變對舵片溫度的分布影響并不是很明顯。除此之外還考慮了舵片的導熱效應抹平了溫度分布的差異。但仔細觀測圖5和圖8仍可發現迎風面的溫度要比背風面的略高。

由圖6、圖9可知，當舵偏角增大到20°，燃氣舵迎風面上的高溫區域明顯增大，由于導熱的存在使得背風面的溫度也相應提高，同時隨著舵偏角的增大，舵片后緣的駐點溫度也越來越高。

3 結論

通過以上研究得出以下結論：（1）忽略舵片傳熱的影響所得到的舵片氣動力誤差不大；（2）考慮舵片傳熱的影響所得到的舵片溫度場分布更為精確，最高溫度比純流體域條件下的舵片最高溫度要低200 K左右；（3）在進行熱分析及熱應力分析時必須考慮固體傳熱效應。