超聲速環(huán)形蒸汽引射器凝結(jié)流場數(shù)值研究

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1、2010年第l期導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)No.12010總第305期MISSILESANDSPACE咖CLESSumNo.305文章編號(hào):1004-7182(2010)01.0039-05超聲速環(huán)形蒸汽引射器凝結(jié)流場數(shù)值研究劉澤軍,胡小平(國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院,長沙,410073)摘要:采用時(shí)間相關(guān)法將描述濕蒸汽凝結(jié)流動(dòng)的氣.液兩相控制方程進(jìn)行耦合求解。采用Moses等提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)縮放噴管算例進(jìn)行了數(shù)值校驗(yàn),驗(yàn)證了數(shù)值模型的可信度和準(zhǔn)確性.在此基礎(chǔ)上,對(duì)蒸汽引射流場內(nèi)的水蒸汽凝結(jié)問題進(jìn)行了數(shù)值仿真,

2、結(jié)果表明:適當(dāng)?shù)靥岣咭淇倻亍⒔档鸵淇倝?,可以減少流場中蒸汽的凝結(jié)量,同時(shí)也能降低凝結(jié)帶來的性能損失。關(guān)鍵詞:超聲速環(huán)形引射器;濕蒸汽;凝結(jié);數(shù)值模擬中圖分類號(hào):V41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ANumericalShnulationotheCondensationFlowF‘’dofNumericalSmmlatinthe0natlonowieldot0AnnularVapourSupersonicEjectorLiuZcjun,HuXiaoping(SchoolofAerospaceandMaterialEngin

3、eering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Hunan,410073)Abstract:Thetime·dependentmethodofcomputationalfluiddynamicsisappliedtosolvethecontrolequationsofgasphaseandliquidphase,whichdescribeswetsteamcondensationflow.Quantitativevalidationofthenumericalmod

4、elisaccomplishedbyusingthetestdatabyMosesandtheresultsshowedagoodagreementbetweennumericalsimulationandtest.Then,thesubscalehotsteamejectingsystemispreliminarilydesignedandpredictednumerically.Theresultsshowthataincreasedvapourtotalpressureandadecreasedvap

5、ottrtotaltemperatureproperlyCandecreasethemassfractionofcondensationwaterandreduceperformancelossofsteamejectorwithcondensation.KeyWords:Annularsupersonicejector;Wetsteam;Condensation;Numericalsimulation0引言超聲速環(huán)形引射器不僅具有一般引射器的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、反應(yīng)迅速等特點(diǎn),而且由于引射氣流由環(huán)向進(jìn)入,簡

6、化了流道內(nèi)的結(jié)構(gòu),在某種程度上提高了引射效率。因此在航空航天、軍事和國防、國民工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如果采用高溫高壓水蒸汽代替壓縮空氣作為引射氣源的優(yōu)點(diǎn)不需要龐大的空氣儲(chǔ)存系統(tǒng),風(fēng)洞運(yùn)行成本相對(duì)較低。目前,由于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)高空狀態(tài)地面模擬實(shí)驗(yàn)的需求,對(duì)超聲速風(fēng)洞的引射能力要求也越來越高。因此,環(huán)形蒸汽引射方案也正受到關(guān)注。濕蒸汽兩相流動(dòng)問題比較復(fù)雜,與空氣相比,水蒸汽熱力學(xué)參數(shù)受當(dāng)?shù)販囟群蛪簭?qiáng)的影響較大,在高速流動(dòng)中由于溫度和壓強(qiáng)的急劇變化,可能會(huì)有大量凝結(jié)發(fā)生,其釋放的凝結(jié)潛熱可能產(chǎn)生凝結(jié)激波。目前

7、的實(shí)驗(yàn)手段和方法,很難全面地揭示濕蒸汽兩相流動(dòng)問題復(fù)雜的機(jī)理。為此,采用數(shù)值模擬成為研究濕蒸汽流動(dòng)問題的另一重要途徑。1數(shù)值仿真模型本文研究的是超聲速環(huán)形蒸汽引射器,流體介質(zhì)是水蒸汽,為非理想氣體,主要研究過熱蒸汽超聲速膨脹時(shí)的冷凝問題。由于環(huán)形引射器的幾何結(jié)構(gòu)和流場結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱的,因此,采用的控制方程為二維軸對(duì)稱雷諾平均N.S方程,湍流模型采用了標(biāo)準(zhǔn)的k。占雙方程模型。由水蒸汽凝結(jié)理論可知,蒸汽自然凝結(jié)包括兩個(gè)過程:首先是形成臨界尺度的凝結(jié)核,其結(jié)核速率用.,來表征;其次是凝結(jié)核的增長,由核的半徑變化率d

8、r/dt來表征。描述結(jié)核率和凝結(jié)核增長的經(jīng)典模型分別是Wegener(1969)的CNT模型和Hertz—Knudsen模型。環(huán)形引射器結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括環(huán)形超聲速噴收稿日期:2009-08.12作者簡介:劉澤軍(1983一),男,碩士研究生,研究方向?yàn)楹娇铡⒂詈酵七M(jìn)技術(shù)40導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)2010年管、混合室、二次喉道和亞聲速擴(kuò)張段。噴管設(shè)計(jì)馬赫數(shù)Ma=2.5,噴管出口面積與混合室入口面積之比A=0.4;混

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