火箭導彈二維繞流與噴流干擾流場數值模擬

2017-02-19 by:CAE仿真在線來源:互聯網

火箭導彈二維繞流與噴流干擾流場數值模擬

張正娟菅翌2

(1裝備指揮技術學院,北京 101416,2總裝25基地,山西,036304)

摘要:就一般的火箭導彈外形建立二維軸對稱模型,采用標準k-ε湍流模型,利用流體力學計算軟件fluent6.3對不同壓力的(0.5atm、2atm、5atm)噴流與外部來流干擾進行了數值模擬,得到了彈箭尾部等壓力、等密度、等馬赫數曲線圖,顯示了清晰的繞流波系結構。為彈箭設計提供理論依據和設計方法。

關鍵詞:火箭導彈繞流噴流數值模擬 fluent

引言

發動機工作時,噴流對彈體底部壓力有很大的影響,特別是噴流與繞流的干擾嚴重地影響了彈體的空氣動力性能,進而直接影響到彈體的彈道性能[1]。試驗研究需要耗費大量的財力和人力,并且獲得的數據有限。本文就一般的火箭導彈外形建立二維軸對稱模型,利用流體力學計算軟件fluent對噴流與繞流進行了數值模擬,為火箭的氣動外形設計提供理論依據和設計方法。

1、湍流模型

k-ε模型是fluent提供的一種湍流模型,它把渦粘系數和湍動能及湍動能耗散聯系在一起,湍動粘度模型為[2]:

(1)

Cu是常量。

在模型中,表示湍動耗散率的ε被定義為:

(2)

在標準k-ε模型中,k和ε是兩個基本未知量,與之相對應的輸運方程為:

(3)

其中,

是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項,

是由于浮力引起的湍動能k的產生項,

代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻,

、

和

為經驗常數,

和

是k方程和ε方程的湍流Prandtl數,

和

是用戶自定義的源項。在本文中,常數取以下值:

、

、

、

、

。

2、數值模擬方法

2.1 網格劃分

本文計算的模型采用2D建模方法。采用簡化的火箭外形,以火箭的長度C為單位。計算區域為:左域取半徑為2C的半圓,右域取2C×2.5C的矩形。網格數為146×148。箭體附近以及尾焰部分網格加密。圖1是箭體的網格示意圖。

圖1 箭體網格示意圖

2.2流場計算

利用FLUENT6.3計算流體力學軟件,選擇基于密度的隱式求解器、標準k-ε湍流模型。其中的經驗常數取FLUENT的默認值。

箭體邊界除尾部噴流外,其它均采用固面無滑移邊界條件。由于計算區域外邊界遠離箭體,計算時采用遠場壓力條件,即給定遠場壓力值、溫度值以及來流的馬赫數、方向等。本文中取

、

、

,尾部噴流取

、

,分別計算了攻角為0°

時

的流場情況。并且計算了在

條件下攻角為

10°和-10°的流場。

計算過程解算收斂條件:按系統默認為10-3。

3、計算結果及分析

圖2~4給出了不同尾部噴流壓力下的計算等密度線圖、等壓力線圖和等馬赫線圖。圖2是尾部噴流壓力為2atm時的計算結果,可以看到超聲速來流和噴流在彈底產生激波。噴流的壓力對干擾流場有較大的影響。當噴流壓力為5atm時,隨著噴流膨脹效應的增強,激波反射長度增加。