某运载火箭发射燃气流场的仿真计算

摘要

运载火箭的发射周期长且每次发射都耗费大量的人力、物力资源。为了节约成本、缩短发射周期，一般都是对废弃的导弹火箭发射场进行改造，得到满足需要的简易发射场实现快速简易发射。为了研究运载火箭发动机燃气流场的形成发展过程及其对地面发射设备的冲击作用，便于火箭快速简易发射平台的设计及优化，本文以国内某新型快速简易发射的运载火箭及其发射燃气流场为一体化模型，对其进行合理的简化，并运用计算流体力学软件Fluent分别模拟了运载火箭在不同工况下的不同位置时的尾焰流场变化和射流对地面的作用。主要做了以下几个方面的工作:
　　(1)对于不规则的计算域模型，运用分块化网格技术，将计算域分成若干个相邻规则的子域，对每个规则的子域进行结构化网格划分，并且运用分区对接网格技术使得子域与子域间可以进行数据交换。生成的结构化贴体网格能很好地和模型的物理边界重合，降低了在计算时由于边界是曲线或曲面所导致的误差。在流动情况复杂、变化剧烈的区域对网格进行加密，使得流场内激波结构的捕捉更加清晰。
　　(2)针对单喷管轴对称模型建立了定常条件下粘性可压的喷管流与射流的一体化数学计算模型。流体工况为多组分混合流，采用基于密度的有限体积法，运用通量差分分裂格式FDS中的Roe离散方法，对火箭位于不同位置时的流场进行了仿真模拟。最后对仿真结果进行分析，得到了流场中复杂激波结构和流动参数的变化过程和发展趋势及燃气射流对地面的冲击和烧蚀作用。
　　(3)针对双喷管三维定常模型，模拟了火箭位于不同位置时的尾焰流场。计算结果给出了火箭位于不同位置时在不同时刻的流场参数变化情况和空间激波产生、发展的全过程，得到了不同位置时燃气射流对地面的冲击作用，并且给出了地面上射流压力和温度的分布规律，对工程实际具有指导作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 火箭发射场

1．3 研究内容

1．4 燃气射流基本理论

1．4．1 基本概述

1．4．2 边界层

1．4．3 国内外研究现状

1．5 本章小结

2 计算流体力学基础理论

2．1 引言

2．2 三维粘性流场控制方程

2．3 湍流模型

2．3．1 单方程模型

2．3．2 标准k-ε模型

2．3．3 RNGk-ε模型

2．3．4 可实现k-ε模型

2．4 壁面函数

2．5 有限体积法数值离散

2．5．1 有限体积法

2．5．2 离散格式

2．6 网格生成技术

2．6．1 分块网格生成技术

2．6．2 单域结构网格生成技术

2．6．3 分块网格生成技术

2．7 本章小结

3 单喷管轴对称流场的仿真计算与分析

3．1 燃气流原理分析及参数确定

3．1．1 喷管外燃气流原理分析

3．1．2 喷口燃气流参数确定

3．2 计算域与网格划分

3．3 起始位置时的流场仿真结果分析

3．4 5米位置时的流场仿真结果分析

3．5 10米位置时的流场仿真结果分析

3．6 本章小结

4 双喷管三维流场的仿真计算与分析

4．1 计算模型与网格划分

4．2 起始位置流场仿真结果分析

4．3 5米位置时流场仿真结果分析

4．4 10米位置时流场仿真结果分析

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和出版著作情况