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不同深度下导弹水下点火燃气射流流场数值模拟

作　者: 许佳伟
导　师: 陈浮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 水下燃气射流气泡成长多相流模型有限体积法数值模拟
分类号: O358
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

导弹水下点火发射具有高隐蔽性和强机动性等突出优点,但同时也涉及到水下点火瞬间燃气喷管高速射流这一复杂的物理过程。由于不同介质间密度差异的影响,喷管外水流场的背压将会限制燃气的迅速扩散,大量喷入水中的燃气形成燃气泡,在水中以很快的速度膨胀,燃气泡的发展会对导弹载荷和运动产生影响,点火瞬间燃气射流流场物理变化非常迅速,气流中会出现复杂激波系的动态传播等,是一个涉及可压与不可压缩相的非稳态两相流动问题。本文在系统考察了商业软件Fluent的核心算法和理论基础之后,通过选择调整的现有算法,结合本人自行编制的UDF程序,建立了非定常条件下粘性、可压、二维轴对称燃气射流的数学模型,对不同水深导弹水下点火过程、不同扩张比喷管水下燃气射流流场进行了数值模拟。给出了典型时刻燃气射流流场的温度、马赫数、燃气体积分数分布图以及喷管射流产生的推力随时间的变化曲线,从图中可以看到在燃气泡发展过程中各参数的动态发展变化趋势及复杂的激波系形状,同时对各个时刻的燃气射流流场特点进行了分析并将某些方案的实验测量和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明,点火初期,由于水的密度远大于燃气,其惯性阻滞作用很大,燃气在喷管底部出现翻卷现象,燃气泡径向尺寸发展速度大于其轴向发展,随着射流的发展,喷管底部聚集的燃气在主流区燃气的携带作用下重新被卷吸回到主流区。射流发展到一定程度后,燃气泡会出现破裂、脱落、颈缩等剧烈变化现象。流场中出现复杂的波系生成与运动,欠膨胀状态下,流场中波系比较复杂;过膨胀状态下,波系较为简单。射流初期,流场中压力特别是喷管底部压力和喷管推力出现剧烈脉动,推力在脉动后迅速达到稳定值,其随时间的变化趋势与喷管进口总压变化曲线一致。推力随工作水深的增加而减小。考虑了三维效应的喷管水下燃气射流在整体上仍基本呈现关于喷管轴线对称的性质。除部分流场细节外,三维喷管燃气射流计算结果与轴对称喷管基本一致。本文所采用的计算方法可以较为全面反映水下燃气喷管射流形成的物理过程,得到了丰富的计算数据,成功分辨捕捉了流场中复杂的动态激波结构以及燃气泡的成长过程,比较准确地预测平均压力和喷管推力,数值模拟结果与实验结果吻合较好,误差<5.0%。本文的研究结果将有助于对水下燃气射流场的认识,并作为喷管设计与结构优化的参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 水下燃气射流课题的研究背景及意义  9-10
  1.2 水下燃气射流问题概述及研究现状  10-14
    1.2.1 水下燃气射流问题概述  10-11
    1.2.2 国内外研究现状  11-14
  1.3 论文的主要工作  14-15
第二章可压缩流体力学理论及数值计算方法  15-41
  2.1 可压缩流体力学理论  15-20
    2.1.1 可压缩流动的基本方程及基本概念  15-16
    2.1.2 可压缩流动的几个基本概念  16-18
    2.1.3 气体射流简介及几种典型流动结构图示  18-20
  2.2 水下燃气射流数值计算方法  20-39
    2.2.1 Fluent软件简介  20-22
    2.2.2 差分方法选择  22-23
    2.2.3 有限体积法使用的网格  23-25
    2.2.4 湍流的数值模拟  25-30
    2.2.5 多相流的研究与数值模拟  30-33
    2.2.6 求解器选择及压力场修正  33-35
    2.2.7 UDF(用户自定义函数)技术的应用  35-37
    2.2.8 多重网格技术的应用  37-38
    2.2.9 网格适应技术的应用  38-39
  2.3 本章小结  39-41
第三章扩张比为9 喷管计算结果与分析  41-77
  3.1 引言  41-42
  3.2 采用轴对称喷管计算的合理性分析  42-43
  3.3 计算域与网格划分  43-46
    3.3.1 分区域分算法方法简介  43-44
    3.3.2 计算域  44-45
    3.3.3 轴对称计算所使用的网格  45-46
  3.4 单相气体射流计算结果与分析  46-53
    3.4.1 定解条件  46-47
    3.4.2 燃气的物性参数  47
    3.4.3 拉法尔喷管超声速流动建立过程  47-49
    3.4.4 单相燃气射流数值计算结果分析  49-52
    3.4.5 计算结果与一维等熵计算结果的比较  52-53
  3.5 两相气体射流数值计算结果与分析  53-75
    3.5.1 喷管基本流动状态判别准则  53-55
    3.5.2 10m水深工况燃气射流数值计算结果及分析  55-62
    3.5.3 30m水深及50m水深工况计算结果与分析  62-72
    3.5.4 三种工况监测点压力及推力特性计算结果与分析  72-75
  3.6 本章小结  75-77
第四章扩张比为3.2 喷管计算结果与分析  77-91
  4.1 引言  77
  4.2 计算域及网格  77-78
  4.3 单相射流计算结果及分析  78-80
  4.4 两相气体射流数值计算结果及分析  80-89
    4.4.1 点火后喷管内流动的初步建立  80-83
    4.4.2 燃气泡的成长过程及温度场的发展  83-87
    4.4.3 监测点压力及推力特性计算结果与分析  87-89
  4.5 本章小结  89-91
第五章三维喷管计算结果及分析  91-98
  5.1 前言  91
  5.2 计算域及求解条件  91-92
  5.3 三维水下燃气射流计算结果及分析  92-96
  5.4 不同计算模型推力特性对比  96-97
  5.5 本章小结  97-98
结论  98-100
参考文献  100-104
攻读学位期间发表的学术论文  104-106
致谢  106

不同深度下导弹水下点火燃气射流流场数值模拟

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