一種擺動噴管的流場和傳熱特性研究

劉宇濤,田小濤,鄧 恒,李志浩,孫曉博

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

一種擺動噴管的流場和傳熱特性研究

劉宇濤,田小濤,鄧 恒,李志浩,孫曉博

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

針對某球窩式擺動噴管,采用兩方程k-ε湍流模型,在擺動角度為0°和6°的情況下,對噴管內部流場進行三維數值計算;根據計算的流場,對噴管進行了傳熱數值模擬。分析了兩種不同擺角對噴管內流場和熱防護層的傳熱性能產生的影響。研究結果表明,該型噴管在小范圍擺動時,噴管內流場變化較小,噴管入口處的流場發生偏轉;噴管外壁面溫度變化趨勢基本保持一致,內壁面溫度存在差異,噴管的熱防護性能滿足發動機的工作需求。

球窩式擺動噴管;數值計算;流場;傳熱

0 引言

動力系統作為導彈的重要一環,其發展水平制約著導彈技術的進步,推力矢量技術對于提高導彈的控制性能有著重要的影響。目前的推力矢量技術,按系統產生推力偏向的手段不同,可以大致分為擺動噴管致偏、流體二次噴射以及機械導流阻流等三類[1]。擺動噴管是實現彈用發動機推力矢量控制的可行方案,在現役導彈上已有成熟的應用[2],例如美國的標準-3導彈、戰斧巡航導彈、民兵導彈。擺動噴管提供了矢量推力,然而燃燒室內部的流動也隨之改變,噴管的熱防護方案也需要重新設計。

近年來,在擺動噴管流場計算領域有較多研究,劉君[3]等對嵌入式擺動噴管兩相流內流場進行了數值模擬,研究了噴管擺動角度對發動機喉道附近引起的流動變化以及內表面壓力的影響。黃振宇[4]等三維數值計算了某擺動噴管在不同擺角下的流動和推力矢量,初步得出了推力矢量隨擺角的變化規律。周紅梅[5]等通過動網格技術數值計算了不同擺角下擺動噴管的內流場,得出了隨著擺角的增大,氣流的偏轉逐漸明顯的結論。

在噴管的傳熱計算方面,較多采用先計算噴管內流場,根據流場計算結果確定噴管傳熱的邊界條件然后進行傳熱計算。文獻[6-7]對噴管內壁面施加溫度邊界條件,計算噴管的傳熱特性。文獻[8-9]采用巴茲公式確定燃氣及噴管的對流換熱系數,以此作為邊界條件計算噴管的傳熱特性。傅學金[10]等通過流固耦合的方法,計算了噴管機構瞬態溫度場,分析了溫度場分布狀態和初期傳播特點,以及喉襯溫度隨時間變化的規律。

文中針對某球窩擺動噴管,先計算不同擺動角度情況下噴管的內流場,根據流場計算結果對噴管內邊界施加溫度邊界條件的方法對噴管的傳熱進行三維數值計算,考核噴管的工作性能,從而對該型噴管進行評價。

1 物理模型與計算方法

1.1 物理模型

球窩擺動噴管采用潛入式方案,一方面能夠減小能量損失,另一方面可以縮短發動機總長。具體結構見圖1,擺動角度分別為0°和6°。主要結構尺寸見表1。

圖1 球窩擺動噴管幾何模型

長度/mm外徑/mm喉徑/mm出口直徑/mm440440130300

球窩噴管的前端深入到燃燒室中,受到高溫高壓燃氣的作用,因此較多的采用耐燒蝕材料。其中喉襯和前端鎖緊環采用石墨材料,熱防護采用碳酚醛材料,金屬殼體材料為鋼。

1.2 網格劃分

使用ICEM對流體域進行結構化網格劃分。固體域網格在Workbench中進行劃分,其中擴張段金屬殼體進行了局部加密,網格劃分結果見圖2。

圖2 網格劃分結果

1.3 計算方法及邊界條件

使用Fluent計算噴管內的流場,計算區域為噴管段和燃燒室入口段的燃氣流動區域。由于發動機在實際工作中建立穩定流場的時間很短,初始階段燃氣對噴管的傳熱效應可以忽略,噴管內部的流場可以視為定常流動。采用RANS方法進行穩態求解,選擇RNGk-ε兩方程模型模擬湍流粘性的影響,計算采用基于壓力的SIMPLE算法進行求解。流體域選擇燃氣作為工質,進行流場計算,入口選擇壓力入口,給定總壓值為8 MPa,總溫3 200 K,出口選擇壓力出口,設為一個標準大氣壓,初始溫度300 K,壁面為無滑移絕熱壁面。RNGk-ε模型的k方程和ε方程分別為[11]:

(1)

(2)

流場計算完成之后,將流場外邊界溫度作為噴管內表面溫度邊界條件進行非穩態傳熱計算。在噴管內部的導熱控制方程為[12]:

(3)

式中:T為溫度;C為材料的比熱容;k為材料的導熱系數;Q′為單位體積的內熱源。

計算中,不計燃氣與壁面的輻射換熱,忽略噴管金屬殼體與空氣之間的對流換熱,設置噴管固體材料初始溫度為300 K,材料的導熱系數見表2。

表2 材料的導熱系數

2 計算結果與分析

2.1 流場分析

選擇噴管流體域的中間截面作為特征面對噴管中的流動進行分析,壓力云圖和馬赫數云圖分別見圖3、圖4,可以看出,雖然擺動角度不同,但噴管中的流動是相似的。兩個狀態的出口總壓均約為7.7 MPa,差異小于萬分之一,一方面說明潛入式噴管的流動損失小,另一方面擺動角度為6°時不會對發動機的能量發揮帶來較為明顯的影響,初步驗證了該結構方案的可行性。

圖5為噴管入口處外邊界速度云圖,圖6為入口處中間截面速度云圖,從圖中可以看出,擺動角度為0°,噴管入口處氣流沒有偏轉,擺動角度為6°時,噴管入口處氣流發生偏轉,變為非對稱的流場,一側的流速大于另一側的流速,并且入口段的最大流速稍大于0°時的最大流速,說明隨著噴管的擺動,噴管入口段流場會發生偏轉和局部增速,這對噴管入口段的熱防護可能會造成一定影響,在設計時應當予以考慮。

圖3 壓力云圖

圖4 馬赫數云圖

圖5 噴管入口處外邊界速度云圖

圖6 噴管入口處中間截面速度云圖

2.2 傳熱分析

該型噴管熱防護層應保證在10 s工作時間內具有良好的熱防護能力,考核指標為金屬外壁面溫度不大于300℃。選定噴管工作時的兩個極限狀態,即擺動角度為0°和6°時,對熱防護層的防護能力進行考核。

圖7 溫度分布云圖

不同時刻噴管結構溫度云圖見圖7,可以看出,在10 s的工作時間內,噴管外壁面溫度沒有大幅度升高,均小于80℃,說明噴管的熱防護層滿足工作要求。在開始工作之后,噴管內部的喉襯溫度迅速升高,這是因為石墨喉襯的導熱率較高,且處在接觸燃氣溫度最高的區域,因此傳熱劇烈導致迅速升溫。在10 s工作時間結束之后,0°和6°兩種擺動角度所對應的喉襯最低溫度分別為300℃和430℃,且6°工況的溫度呈現非對稱式的分布,這是因為噴管擺動之后,喉襯一側與燃氣的接觸面積增大,另一側接觸面積減小,面積增加的一側熱傳導加劇,從而導致喉襯溫度比0°時有所提高。

繼續計算至30 s,監測金屬殼體外壁面最高溫度,具體數值見表3。由表3可以看出,兩種擺動角度條件下外壁面溫度隨時間變化基本一致,工作時間超過10 s后,噴管最高溫度基本呈線性趨勢迅速增加。擺動角度為0°和6°的兩種情況,對噴管的熱防護結構整體造成的影響較小。從表中也可以看到,當工作時間增加到25～30 s時,外壁面最高溫度達到300℃,最高溫度出現在噴管出口區域,前端熱防護層的設計仍有較大的余量,但是并不應該減薄前端熱防護層,主要是因為擺動噴管的分離線位于燃燒室內,緊鄰高溫高壓燃氣,密封困難,如果在發動機工作過程中,高溫燃氣從分離線進入配合間隙中,將會對熱防護帶來嚴重的問題,因此,前端的熱防護設計應有較大的余量,以保證擺動噴管的正常工作。

表3 不同時刻外壁面的最高溫度

3 結論

1)噴管在0°到6°小擺動角度的情況下流場相似,對發動機能量的發揮帶來的差異較小;但是噴管入口的流場會發生偏轉和速度增大,所以在噴管設計時,應當考慮入口處流場的偏轉和流速的增大對噴管產生的影響。

2)在10 s工作時間內,兩種擺角下噴管的外壁面溫度沒有超過規定溫度,內壁面溫度存在差異,初步驗證了噴管的熱防護設計能滿足發動機工作的需求。但是對于較長時間工作的情況,噴管的熱防護需要加強。

3)文中傳熱計算中選擇的溫度邊界條件,可以很大程度上降低求解的難度和計算的時間,精度上也可以滿足工程上噴管初步設計的要求,在下一步的工作中,對于噴管傳熱計算將采用精度更高的流固耦合的方法,對現有噴管的熱防護進行優化。

[1] 陳汝訓. 固體火箭發動機設計與研究: 下 [M]. 北京: 中國宇航出版社, 1991: 230-232.

[2] 高峰, 唐勝景, 師嬌. 推力矢量技術在導彈上的應用 [J]. 飛航導彈, 2010(12): 52-59.

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[4] 黃振宇, 徐文燦, 毛鴻羽. 噴管流場及其推力矢量的數值計算 [J]. 兵工學報, 2000, 21(1): 31-34.

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[12] 胡曉平. 傳熱傳質分析 [M]. 長沙: 國防科技大學出版社, 2012: 8-9.

Research on the Flow Field and Heat Transfer Characteristics of a Gimbaled Nozzle

LIU Yutao,TIAN Xiaotao,DENG Heng,LI Zhihao,SUN Xiaobo

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

For a ball-and-socket type gimbaled nozzle, when the swinging angle were 0 degree and 6 degree, the three-dimensional numerical calculation of nozzle interior flow field was carried out by using two equationk-εturbulence model. According to the calculated flow field, the heat transfer numerical simulation of nozzle was implemented. The effect of two different swinging angles on the heat transfer performance of nozzle interior flow field and thermal protection shield was analyzed. The results showed that the nozzle interior flow field had small variation when the swinging angel range was small, but the flow field at the entrance of the nozzle was deflected. The variation trend of the temperature on the outer wall of the nozzle was basically the same, while the temperature on the inner wall was different. The thermal protection performance of the nozzle met the engine work requirements.

ball-and-socket type gimbaled nozzle；numerical simulation；flow field；heat transfer

2016-11-29

劉宇濤(1986-),男,陜西乾縣人,助理工程師,碩士研究生,研究方向:固體火箭發動機設計。

V430

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