一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法技术

本发明专利技术公开的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，属于流体机械工程领域。本发明专利技术实现方法为：通过建立水下固体火箭发动机喷管的几何模型，建立流体计算域，对两流体计算域交界面进行几何优化，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数；将得到的最终网格文件导入到FLUENT求解器中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置，求解；通过对数值计算结果进行数值仿真分析及后处理，准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。

An Analysis Method of Swing High Speed Jet Characteristics of Underwater Engine Nozzle

【技术实现步骤摘要】
一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法
本专利技术属于流体机械工程领域，涉及一种水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流场结构和推力特性分析方法，尤其涉及基于CFD软件二次开发的一种水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流场结构和推力特性分析方法。
技术介绍
潜射导弹的发射可以分为无动力和有动力发射。采用有动力导弹发射技术可以对潜射导弹弹体实现主动控制，能使其战斗力得到极大提升，而固体火箭发动机作为水下推进技术最为简便的动力源，目前是各类打击型潜射武器的首选动力。固体火箭发动机在水下工作过程中高密度比、高背压，以及气-液之间的复杂相互作用，使发动机处于与大气环境发射完全不同的工作状态。对水下超声速气体射流的射流过程、流场结构与流场特征变化、推力变化规律与变化机理等进行深入研究，对于水中超音速气体射流研究有着重要的学术意义。同时，为了使导弹在水下航行时能够调整飞行姿态，获得更加灵活的机动性能，推力矢量控制装置必不可少，其中摆动喷管作为一种高效率的推力矢量控制方式得到了广泛应用，而喷管的摆动也将极大的增加喷管水下高速射流的复杂程度。目前，针对水下喷管摆动高速射流的外流场结构和推力特性还没有比较准确的分析手段和数值计算方法，有必要研究一种能够准确模拟喷管摆动高速射流流动特性的数值计算方法，了解发动机水下工作时水环境与燃气之间的相互作用原理、掌握扩张比及水深对发动机工作特性的影响，从而为合理预估推力值与噪声等发动机工作特性提供理论基础。
技术实现思路
针对上述问题和难点，本专利技术公开的水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性分析方法要解决的技术问题是：准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。所述的水下喷管摆动高速射流实际应用工程问题包括水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流的流场结构分析问题、推力特性分析问题。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，通过建立水下固体火箭发动机喷管的几何模型，对水下固体火箭发动机喷管几何模型建立流体计算域，并对动计算域与静计算域交界面进行几何优化，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数。将得到的最终网格文件导入到FLUENT求解器中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置，求解。通过对数值计算结果进行后处理，得到水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流的气体体积分数云图、速度云图、压力云图、涡量图以及喷管的推力随时间变化的曲线图，能够准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。本专利技术公开的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，包括如下步骤：步骤一：建立几何模型。以回转体结构的水下固体火箭发动机喷管为研究对象，确定回转体的几何参数，采用建模软件进行几何建模。所述的建模软件选用ICEMCFD软件的几何构建功能。步骤二：对步骤一建立的几何模型及流体计算域进行网格划分。对步骤一中得到的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立流体计算域，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数。步骤二具体实现方法包括如下步骤：步骤2.1：对步骤一中在ICEMCDF软件中建立的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立足够大的流体计算域，足够大的流体计算域指大到能够忽略流域边界对水下固体火箭发动机喷管周围流场的影响，而后对水下固体火箭发动机喷管及流域各面进行定义；步骤2.2：在步骤2.1中设置的喷管计算域为动计算域用于模拟喷管的转动，喷管外足够大的流体计算域为静计算域，在两计算域的交界面处进行几何优化，两计算域交界面设置为球面，保证动计算域在转动过程中两计算域交界面始终贴合且处于同一球面，并将喷管出口小球面设置为interface1，将与喷管出口旋转面结合的静计算域大球面设置为interface2，在仿真过程中通过两球面之间设置的interface对，进行数据传递；步骤2.3：将流域分块划分结构化网格，考虑壁面效应水下固体火箭发动机喷管喉部、壁面及喷管出口旋转面处网格着重加密。为了保证计算精度的同时节省网格数量，在进行网格划分时，动、静计算域配合球面处的网格密集，且疏密程度相同，沿喷管轴线网格密度逐渐降低，同时在设置网格密度时必须保证y+在合理范围之内；步骤2.4：进行网格无关性验证，以喷管出口外轴线处压力及气体轮廓双重指标作为验证标准，取多组不同网格数的流域进行相同工况的计算，针对计算结果取稳定流场中的喷管出口外轴线处压力及气体轮廓，前后两次预测结果均与实验结果差异小于预设值时网格达到计算精度，此时为最优值，即得到最优网格数。步骤2.3中所述的y+＝yuτ/νl为衡量网格精度的指标，其中y为第一层网格的厚度，uτ为壁面摩擦速度，νl为水的运动黏度；所述的合理范围针对水下高速航行体优选30≤y+≤60。步骤2.4中所述的预设值优选5％。步骤二中所述的网格划分软件包括ICEM或POINTWISE软件。步骤三：边界条件及计算方法设置。将网格文件导入FLUENT中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置。步骤三具体实现方法包括如下步骤：步骤3.1：将网格文件导入FLUENT中。步骤3.2：设置边界条件。流域进口条件采用压力进口条件；出口条件采用压力出口条件，压力考虑环境水深；其余采用无滑移壁面边界条件。步骤3.3：设置采用的计算模型。基于N-S方程进行水下固体火箭发动机喷管高速射流流动计算，在多相流模型下采用VOF界面捕捉方法，开启能量方程，湍流模型采用标准k-ε模型。步骤3.4：设置求解器计算方法。采用双精度非定常求解器对水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流场进行数值模拟，选用SIMPLE算法，压力差值格式选用PRESTO！，动量方程、能量方程的离散方法均选用二阶迎风插值格式，湍流方程的离散方法均选用一阶迎风插值格式，体积分数的计算选用COMPRESSIVE插值格式。步骤四：基于步骤一至步骤三开展水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性的数值计算分析。准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。还包括步骤五：利用步骤一至步骤四所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法对喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析，将数值模拟结果与实验结果经典实验数据对比，验证一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法的准确性，可行性。步骤五具体实现方法包括如下步骤：步骤5.1：利用后处理软件对Fluent中的计算结果进行后处理，得到压力、涡量、速度、体积分数流场信息云图以及定量的分布情况；步骤5.2：将步骤5.1数值分析结果与实验结果或经典实验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立几何模型；步骤二：对步骤一建立的几何模型及流体计算域进行网格划分；对步骤一中得到的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立流体计算域，并对两流体计算域交界面进行几何优化，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数；步骤三：边界条件及计算方法设置；将网格文件导入FLUENT中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置；步骤四：基于步骤一至步骤三开展水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性的数值计算分析；准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。

【技术特征摘要】
1.一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立几何模型；步骤二：对步骤一建立的几何模型及流体计算域进行网格划分；对步骤一中得到的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立流体计算域，并对两流体计算域交界面进行几何优化，在计算域之间设置interface进行数据传递，实现对喷管摆动工况的模拟，分块对流域进行网格划分，并进行网格无关性验证，得到最优网格数；步骤三：边界条件及计算方法设置；将网格文件导入FLUENT中，对边界条件、采用的计算模型、计算方法进行设置；步骤四：基于步骤一至步骤三开展水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性的数值计算分析；准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，有助于揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，为水下有动力导弹发射的发动机喷管结构设计提供理论基础，并能够解决水下有动力导弹发射实际工程应用问题。2.如权利要求1所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：还包括步骤五，利用步骤一至步骤四所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法对喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析，将数值模拟结果与实验结果经典实验数据对比，验证一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法的准确性，可行性。3.如权利要求2所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：还包括步骤六，利用步骤一至步骤五所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法对喷管摆动高速射流流动过程进行数值仿真分析及后处理，得到水下固体火箭发动机喷管摆动高速射流的气体体积分数云图、速度云图、压力云图、涡量图以及喷管的推力随时间变化的曲线图，能够准确模拟分析火箭发动机喷管摆动高速射流流动特性，以揭示喷管摆动高速射流流动规律及机理，从而为水下固体火箭发动机摆动喷管的结构设计提供理论基础，并能够解决水下导弹发射的实际应用工程问题。4.如权利要求1、2或3所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：步骤一实现方法为，以回转体结构的水下固体火箭发动机喷管为研究对象，确定回转体的几何参数，采用建模软件进行几何建模。5.如权利要求4所述的一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法，其特征在于：步骤二具体实现方法包括如下步骤，步骤2.1：对步骤一中在ICEMCDF软件中建立的水下固体火箭发动机喷管几何模型建立足够大的流体计算域，足够大的流体计算域指大到能够忽略流域边界对水下固体火箭发动机喷管周围流场的影响，而后对水下固体火箭发动机喷管及流域各面进行定义；步骤2.2：在步骤2.1中设置的喷管计算域为动计算域用于模拟喷管的转动，喷管外足够大的流体计算域为静计算域，在两计算域的交界面处进行几何优化，两计算域交界面设置为球面，保证动计算域在转动过程中两计算域交界面始终贴合且处于同一球面，并将喷管出口小球面设置为interface1，将与喷管出口旋转面结合的静计算域大球面设置为int...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄彪，李达钦，田北晨，张佳悦，王国玉，高德明，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11