液體火箭發(fā)動機噴管仿真模型

孫得川，楊建文

(1.大連理工大學(xué) 航空航天學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

化學(xué)火箭發(fā)動機使用拉瓦爾噴管作為能量轉(zhuǎn)換的部件，用以產(chǎn)生推力，對其流場進(jìn)行仿真分析是現(xiàn)代噴管優(yōu)化設(shè)計和理解各種復(fù)雜流動過程必須經(jīng)歷的環(huán)節(jié)和步驟。隨著計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，對噴管流動的仿真似乎已經(jīng)不成問題，流行的CFD軟件幾乎都可以“輕松地”得到計算結(jié)果；但是得到結(jié)果容易，得到更接近真實值的結(jié)果卻并非易事。尤其是現(xiàn)代噴管設(shè)計要結(jié)合具體的發(fā)動機條件，對性能仿真的準(zhǔn)確性提出了更高的要求，以滿足優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。

噴管性能計算的發(fā)展歷史主要以美國為代表。NASA早在20世紀(jì)60年代就開始研究發(fā)動機性能計算的程序，最初基于化學(xué)平衡假設(shè)，采用最小吉布斯自由能法來計算燃燒室和噴管的化學(xué)平衡狀態(tài)，也可以計算透平機械、激波管等流動中的化學(xué)平衡問題。目前該程序的化學(xué)平衡部分代碼已經(jīng)基本公開，即近年來廣為流傳的CEA軟件。在該程序的基礎(chǔ)上，NASA主持開發(fā)了液體火箭發(fā)動機的二維化學(xué)動力學(xué)計算軟件TDK(two-dimensional kinetics)并多次更新，可處理諸如三組元發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機中的化學(xué)反應(yīng)流動問題。TDK軟件預(yù)測的比沖與試車相比偏差在3%以內(nèi)，已經(jīng)成為美國JANNAF的標(biāo)準(zhǔn)軟件，并且共享給其盟友使用，在液體發(fā)動機研制中發(fā)揮了重要的作用。

在眾多文獻(xiàn)中，Manski等對液體火箭發(fā)動機性能的研究比較具有代表性，他們利用TDK詳細(xì)計算研究了SSME和Vulcain發(fā)動機的性能，重點討論了室壓對噴管效率的影響?！?br>