火箭发射燃气流场仿真分析

摘要：本文主要对火箭发射时的燃气流场进行了仿真分析，监测发射台上表面所受的最大静压、最大总压和最大静温，提取相应的发射台表面静压和静温分布矢量，以作为发射台的设计和校核的依据。

关键词：火箭；发射台；燃气流场；仿真分析

Simulation Analysis of Rocket’s Gas-flow

WU Di-YongZhong Xu-YuanTIAN Hong-Jun

Abstract: This paper is about the rocket’s gas-flow field simulation, monitoring launch pad’s the biggest surface static pressure, maximum total static pressure and maximum temperature, extract the appropriate launching pad’s surface static pressure and static temperature distribution vector, to serve as a launch pad and check the design .

Key words: rocket ;launch pad; gas flow; simulation analysis

一、引言

火箭发射时发动机尾喷管喷出的燃气流的速度大、温度高，对其下方的支撑装置发射台具有很大的冲击作用。通过对火箭燃气流场的分析，得出发射台表面所受到的最大静压和最大静温，以用于校核设计的发射台是否满足其强度、刚度要求。

二、FLUENT燃气流原理分析及参数确定

1、喷管外燃气流原理分析

喷管出口外的流动工况如图1所示，基本过程如下：由于喷管出口的压强小于环境压强，即PsP1，气流边界呈内缩型，向内偏转一δ角；斜激波相交反射出另外两条斜激波CD、CE，气流经过激波压强继续增大，P4>P2（P3），故激波CD、CE与自由边界相交必然反射出两条膨胀波DF、EF；气流经过膨胀波后压强降低，自由边界向外扩张一β角；膨胀波相交产生两条膨胀波FG、FH，气流经过FG、FH后压强低于环境压强，故两膨胀波与自由边界相交后反射出两条斜激波。可以看出，气流在出口后经历反复压缩和膨胀直到气流演化为亚声速射流，气流形状形成一个一个的波节。

2、喷口燃气流参数确定

假定燃气流为理想的完全气体，根据气体动力学理想气体热力性质计算如下：

1由迈耶尔公式可得定容比热

Cv=Cp-R=1.9164-0.32138=1.5950 KJ/kg•K…………………(1)

2比热比

…………………(2)

3燃气摩尔质量

………………… (3)

式中：Rm――通用气体常数，8.3143kJ/(kmol•K)

利用燃气成分验证其摩尔质量

M=18×38.825%+44×26.22%+28×25.511%+

2×9.414%+1×0.022%+1×0.006%

=25.86kg/mol≈25.87kg/mol…………………………………(4)

可知测量数据与计算数据相符。

4喷管出口处的声速

等熵传播的声速只是温度的函数，则喷管出口处的声速：

…(5)

5马赫数

燃气速度与当地声速的比值为该处的马赫数：

…………………………………(6)

由于马赫数大于Ma>0.3，燃气为可压缩气体。

6总压

根据气体动力学知识，可压缩气体的绝对总压可以用等熵关系式(7)得出：

…(7)

压力入口输入总压为：

P=P0-Pop=13.1415-0.101325=13.04075MPa…………(8)

7总温

由等熵关系式(9)可以由静温得出总温：

(9)

8湍流强度

湍流强度：

……………………………… (10)

式中：

――雷诺数，

……………(11)

代入式（11）得：I=0.0228

三、仿真结果分析

1、模型建立

在ICEM中建立火箭发射流场三维模型如图1所示。

图2火箭发射流场模型

2、发射台上表面最大压力和温度监测曲线分析

对发射台表面的最大静压、总压和静温进行监测，曲线图见图3、图4所示。

图3发射台上表面最大静压和最大总压监测曲线

图4 发射台上表面最大静温监测曲线

由图3可看出发射台表面的最大总压从0.6s开始持续上升，最大静压从1s开始持续上升，最大总压比最大静压大， 从2.25s开始最大静压和最大总压基本一致，达到350KPa，这是因为燃气流喷射在发射台表面，经反射后流速为零。到2.818s时发射台表面的静压力值达到540.238KPa，总压值为556.870 KPa。

由图4可看出发射台表面的最大温度从0.5s开始持续上升，0.5s～1.5s区间内温升达1348K/s，2.168s时温度达到2500K，到2.82s时发射台表面的静温达到最大值2990K,然后静温开始下降，3.530s时温度小于2500K，即2500K～2990K的温度范围持续了1.362s，此时发射台表面的最大压力值在350KPa～557KPa之间。

四、结论

结论如下：

1、2.82s时发射台上表面的静压、总亚以及静温达到最大值，最大静压：540.238KPa，最大总压：556.870 KPa，最大静温：2990K。

2、发射台上表面在2500K～2990K的温度范围持续了1.362s（2.168s～3.530s），此时发射台表面的最大压力值在350KPa～557KPa之间。

3、发射台下表面最大温度：2300K，相应的静压：-15KPa；最大静压10KPa，相应的静温：900K。

4、由于发射台处于地面以下的坑洞中，燃气流遇到壁面有发生反射，不利于流通，调平支腿下端的最大温度达到2100K，最大静压为140KPa。

参考文献

1、王呼佳，陈洪军。ANSYS工程分析进阶实例[M]。北京：中国水利水电出版社，2006

2、Hirt C W,Nichols B D,Volume of fluid method for the dynamics of free boundary[J]。Journal of Computational Physics,1981,39(1)：201-225

作者简介：吴地勇 研究生 贵州航天天马机电科技有限公司

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。