矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法，首先利用三维建模软件建立矢量喷管几何模型以及计算域；然后利用ICEM软件对计算域进行结构网格划分；将划分好的计算网格导入流体仿真软件Fluent设置相应计算参数进行求解计算；最后利用数据分析和可视化处理软件Tecplot对计算所得的数据进行处理，得到相应的矢量喷管内部流动状态数据。据。据。

【技术实现步骤摘要】
矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种矢量喷管偏转角度对发动机推力特性影响的数值模拟方法，属于工程实际应用过程中发动机性能领域，更具体地涉及利用SST k
‑
ω两方程湍流模型对发动机推力特性与矢量喷管偏转角度关系进行模拟计算。

技术介绍

[0002]矢量喷管通过改变喷管偏转角度能够获得除轴向以外的其他方向的推力，因此应用矢量喷管技术，发动机除为飞机提供前进推力外，还能单独或同时为俯仰、偏航、横滚和制动提供内部推动力，从而可以补充以至取代常规由飞机舵面或其它装置产生的外部气动力来进行飞行控制。
[0003]为了充分了解矢量喷管技术中喷管偏转角度对发动机性能的影响，人们进行了大量的实验研究以及数值模拟研究。数值模拟研究方法由于具有经济性好、容易调节环境参数以及便于分析流动状态等优势在研究矢量喷管内流特性方面应用越来越多。由于直接数值模拟方法以及大涡模拟方法对计算机性能以及网格质量要求较高，因此人们常应用雷诺平均法来研究矢量喷管内流特性。为使流动控制方程组封闭，需引入湍流模型。SST k
‑
ω湍流模型是由标准k
‑
ω模型与k
‑
ε模型混合修改而成，它既继承了标准k
‑
ω湍流模型在计算物面附近流动方面的优势,又兼具k
‑
ε湍流模型在计算远离物面的湍流充分发展的流动方面的优势，这就使得SST k
‑
ω湍流模型在模拟流动方面具有较高的精度和可靠性。

技术实现思路

[0004]为了研究矢量喷管偏转角度如何影响发动机推力特性的问题，本专利技术提供一种矢量喷管偏转角度对发动机推力特性影响的数值模拟方法，基于SST k
‑
ω模型，数值计算控制方程为基于热完全气体假设的三维可压缩Navier
‑
Stokes方程，采用Fluent软件密度基求解器进行求解。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0006]一种矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法，首先利用三维建模软件建立矢量喷管几何模型以及计算域；然后利用ICEM软件对计算域进行结构网格划分；将划分好的计算网格导入流体仿真软件Fluent设置相应计算参数进行求解计算；最后利用数据分析和可视化处理软件Tecplot对计算所得的数据进行处理，得到相应的矢量喷管内部流动状态数据。
[0007]进一步地，所述数值模拟方法具体包括以下步骤：
[0008]S1.利用三维建模软件生成矢量喷管几何模型并对几何模型进行网格划分；
[0009]S2.将网格划分后的矢量喷管几何模型导入流体仿真软件，选择耦合隐式求解器，设置运行环境；
[0010]S3.在流体仿真软件中选择SST k
‑
ω湍流模型，打开能量方程作为计算模型；
[0011]S4.定义材料：选择流体材料中的热完全气体，密度适用于可压缩理想气体定律，
气体粘度符合萨瑟兰粘度定律；
[0012]S5.分别设置矢量喷管进口和出口的边界条件；
[0013]S6.设置求解控制参数：离散格式选择二阶迎风格式，根据残差变化曲线调整欠松弛因子数值，对流项采用通量差分分裂Roe格式，监视喷管出口流量以及推力值，首先采用喷管进口气体参数进行流场初始化，然后执行多重网格初始化；
[0014]S7.进行流场迭代计算；
[0015]S8.利用数据分析和可视化处理软件对流场数据进行处理，得到矢量喷管内部流动状态以及性能参数曲线。
[0016]进一步地，所述步骤S1中，采用的矢量喷管构型为三维旋转对称，利用SolidWorks软件生成相应的几何模型，采用多块网格生成技术，利用ICEM软件生成结构网格，数量为280万，在喷管近壁面和喉道处对网格进行局部加密，使壁面y+小于1，外流场网格沿远离喷管方向逐渐稀疏。
[0017]进一步地，所述步骤S2中，流体仿真软件选择Fluent，选择耦合隐式求解器，时间上选择稳态，压力梯度方法选择基于单元的最小二乘方法，参考压力设置为0，不考虑重力影响。
[0018]进一步地，所述步骤S3中，能量方程表达式为：
[0019][0020]式中：ρ为密度；u、v、w为x、y、z三个不同方向的速度分量；
[0021][0022][0023][0024]式中：τ
xx
、τ
xy、
τ
xz
、τ
yx
、τ
yy
、τ
yz
、τ
zx
、τ
zy
、τ
zz
为粘性应力分量，q
x
、q
y
、q
z
为x、y、z三个不同方向的热通量；
[0025][0026]SST k
‑
ω湍流模型中湍动能k和比耗散率ω的输运方程为：
[0027][0028]湍流粘性系数μ
T
表达式为：
[0029][0030]式中：α1＝0.31；Ω为涡量的绝对值；
[0031]F2为混合函数：
[0032][0033]式中：y是距固壁面的距离；
[0034]生成项T
ω
为：
[0035]T
ω
≈γρΩ2[0036]函数表达式为：
[0037]F1＝tanh(Γ4),Γ＝min[max(Γ1,Γ3),Γ2][0038][0039]式中，CD
kω
表示交叉扩散：
[0040][0041]模型中的常数为：
[0042][0043][0044]κ＝0.41,a1＝0.31,β
′
＝0.09
[0045]进一步地，所述步骤S5中，矢量喷管进口采用压力进口边界条件，根据计算条件设置进口总压和进口总温条件，气流方向设置为与喷管进口平面垂直；壁面设为无滑移绝热壁面；矢量喷管出口采用压力出口边界，设环境压力为101325Pa，环境温度为300k。
[0046]进一步地，所述步骤S7中，流场迭代计算完成的判定条件为：(a)各计算物理量的计算残差小于10
‑4；(b)监测的喷管出口流量以及产生推力变化值小于0.001。
[0047]本专利技术针对矢量喷管偏转角度如何影响发动机推力特性问题，提出基于SST k
‑
ω模型的数值模拟方法；数值计算控制方程为基于热完全气体假设的三维可压缩Navier
‑
Stokes方程，采用Fluent软件密度基求解器进行求解。
附图说明
[0048]下面结合附图对本专利技术进一步说明。
[0049]图1是本专利技术矢量喷管偏转角度对发动机推力特性影响的数值模拟方法的算法流程图。
[0050]图2(a)是矢量喷管几何偏转角对喷管上壁面静压分布的影响曲线；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法，其特征在于，首先利用三维建模软件建立矢量喷管几何模型以及计算域；然后利用ICEM软件对计算域进行结构网格划分；将划分好的计算网格导入流体仿真软件Fluent设置相应计算参数进行求解计算；最后利用数据分析和可视化处理软件Tecplot对计算所得的数据进行处理，得到相应的矢量喷管内部流动状态数据。2.如权利要求1所述的一种矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法，其特征在于，所述数值模拟方法具体包括以下步骤：S1.利用三维建模软件生成矢量喷管几何模型并对几何模型进行网格划分；S2.将网格划分后的矢量喷管几何模型导入流体仿真软件，选择耦合隐式求解器，设置运行环境；S3.在流体仿真软件中选择SST k
‑
ω湍流模型，打开能量方程作为计算模型；S4.定义材料：选择流体材料中的热完全气体，密度适用于可压缩理想气体定律，气体粘度符合萨瑟兰粘度定律；S5.分别设置矢量喷管进口和出口的边界条件；S6.设置求解控制参数：离散格式选择二阶迎风格式，根据残差变化曲线调整欠松弛因子数值，对流项采用通量差分分裂Roe格式，监视喷管出口流量以及推力值，首先采用喷管进口气体参数进行流场初始化，然后执行多重网格初始化；S7.进行流场迭代计算；S8.利用数据分析和可视化处理软件对流场数据进行处理，得到矢量喷管内部流动状态以及性能参数曲线。3.如权利要求2所述的一种矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用的矢量喷管构型为三维旋转对称，利用SolidWorks软件生成相应的几何模型，采用多块网格生成技术，利用ICEM软件生成结构网格，数量为280万，在喷管近壁面和喉道处对网格进行局部加密，使壁面y+小于1，外流场网格沿远离喷管方向逐渐稀疏。4.如权利要求2所述的一种矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中，流体仿真软件选择Fluent，选择耦合隐式求解器，时间上选择稳态，压力梯度方法选择基于单元的最小二乘方法，参考压力设置为0，不考虑重力影响。5.如权利要求2所述的一种矢量喷管偏转角度对发动机特性影响的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中，能量方程表达式为：式中：ρ为密度；u、v、w为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓明，王宇天，卢永吉，冯瑞强，崔连柱，冯志书，纪义国，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军航空大学，
类型：发明
国别省市：