固体火箭发动机喷管两相流场与结构温度场一体化数值模拟与软件实现

固体火箭发动机喷管两相流场与结构温度场一体化数值模拟与软件实现 固体火箭发动机喷管两相流场与结构温度 场一体化数值模拟与软件实现 第18卷第2期 2009年6月 计算机辅助 ComputerAidedEngineering Vo1.18No.2 Jun.2009 文章编号:1006—0871(2009)02—0025?04 固体火箭发动机喷管两相流场与 结构温度场一体化数值模拟与软件实现 黄喻路,梁国柱 (北京航空航天大学宇航学院,北京100191) 摘要:为准确,高效地进行固体火箭发动机的喷管结构设计与性能分析,考虑两相流场和结构温 度场之间的相互影响,采用有限差分方法求解二维轴对称两相欧拉方程组,进行喷管气体一颗粒两 相无黏流动数值模拟;采用有限元法求解二维轴对称瞬态导热微分方程,进行喷管复合结构温度场 数值模拟;根据面向对象编程思想,采用VC++以人机交互的工作方式实现喷管内型面和结构设 计,并完成有限差分网格和有限元网格的自动划分和显示;通过数值模拟方法与面向对象软件设计 方法的有效结合,实现二维轴对称喷管两相无黏流场和复合结构温度场的一体化数值模拟.数值 模拟结果明,该方法有助于在统一的软件平台上充分利用计算机辅助技术完成喷管性能与结构 的综合评估,可以用于固体火箭发动机喷管的工程设计. 关键词:固体火箭发动机;喷管;两相流场;温度场;数值模拟;有限元法;有限差分 中图分类号:V435;TB115文献标志码:A Integratednumericalsimulationand softwareimplementationontwo?phaseflowfieldand structuretemperaturefieldofsolidrocketmotornozzle HUANGYulu,LIANGGuozhu (SchoolofAstronautics,BeijingUniv.ofAeronautics&Astronautics,Beijing100191,China) Abstract:Todesignthenozzlestructureofsolidrocketmotorandanalyzeitsperformanceaccuratelyand effectively,consideringtheinteractionoftwo-phaseflowfieldandstructuretemperaturefield,thefinite differencemethodisusedtosolve2Daxis??symmetricaltwo?-phaseEulerequationstosimulatethenon—-vis-- COUSgas— particletwo?phaseflowfieldofnozzle;thefiniteelementmethodisusedtosolvethe2Daxis— symmetricaltransientheatconductiondifferentialequationstosimulatenozzlecompositestructuretempe— raturefield;andaccordingtotheideaofobject-orientedprogramming,VC++isusedtoimplementthe designofnozzleinternalcontourandstructurebythemeansofhuman.computerinteraction.andtheauto. maticgenerationanddisplayoffinitedifferencegndsandfiniteelementgridsareimplemented;through thecombinationofnumericalsimulationmethodandobject?orientedprogrammingdesignmethod,thein. tegratedsimulationoftwo?-phasenon??VISCOUSflowfieldandcompositestructuretemperaturefieldfor2D axis—symmetricalnozzleiSrealized.ThenumericalsimulationindicatesthatthemethodiShelpful tofullv 收稿日期:2008—09-08修回日期:2009—02—12 作者简介:黄喻路(1979一),女,北京人,工程师,硕士,研究方向为固体火箭发动机设计与数值仿真,(Bmail)irene— huangyulu@sohu.tom; 梁国柱(1966一),男,贵州遵义人,教授,博导,博士,研究方向为火箭发动机设计,优化与仿真,(E-mail)lgz@buaa.edu.cn 计算机辅助工程2009丘 utilizecomputeraidedtechnologytoimplementthecomprehensiveevaluationofperforman ceandstructure ofnozzleinaunitedsoftwareplatform,whichisfeasibleforthenozzledesignofsolidrocketm otor. Keywords:solidrocketmotor;nozzle;two—phaseflowfield;temperaturefield;numericalsimulation; finiteelementmethod;finitedifference 0引言 现代高性能固体火箭发动机推进剂中常添加 10%,20%的金属粉末(如铝粉),致使推进剂的燃 烧产物中存在大量凝相颗粒,形成喷管中比较复杂 的气体一颗粒两相流动.发动机在工作过程中,高温 高速的燃气以对流和辐射方式向喷管壁面放热,致 使喷管结构的受热环境极其恶劣.喷管结构温度场 的分布,又是进一步进行热结构分析的重要原始数 据.针对上述两方面问题,国内外相关人员都已展开 相当广泛而深入的研究,特别是方丁酉和孙 菊芳j分别就喷管的两相流动和温度场计算问题 进行比较系统的理论阐述.但是两者并非孤立存在, 两相流场的分析既是发动机性能预估的重要内容, 同时又为喷管结构温度场的分析提供重要的热环境 数据.因此,为了更准确,高效地进行发动机的喷管 结构设计号I生能分析,有必要同时考虑两相流场和 协,n,孔p,n凡p i!?卫2 p ,G= n mn p 几 p i!?2 p 结构温度场之间的相互影响,实现设计过程中数据, 进程和信息的有效管理.本文依据计算机辅助工程 的思想,面向工程实际应用领域,研究适于固体火箭 发动机复合结构喷管两相流场和结构温度场一体化 的数值模拟方法,并在面向对象的软件框架中实现 喷管内型面设计,结构设计,网格设计,流场计算以 及结构温度场计算的有机集成. 1轴对称喷管气体一颗粒两相无黏 流动数值模拟方法 考虑轴对称两相无黏绝热(气相与颗粒相相互 作用时除外)流动,均一颗粒尺寸.控制方程为 fU+F+Gy+H=0 tA(UP)+曰(Up)+Hp=0 式中:带下标t,,Y的项分别表示对时间,轴向坐标 和径向坐标求偏导数.方程中各变量为 ppp 0up 00 00 旦 y (/J,--/~p) (//--/)p) 旦+A p pp[u("一")+(v-vp)]+曰P(—Tp) 还需补充如下气相和颗粒相的状态方程 P=(y一1)(e一),=,(), 这里的P,",,,e,P,,m和几分别为气相密度,轴 向速度,径向速度,温度,单位体积总能量,压力,比 热容比,轴向动量分量(pu)和径向动量分量(pv); P,u,,Tp,h和C1分别为颗粒相密度,轴向速度, 径向速度,温度,焓和比热容;系数A和B的计算 以及与h.的关系详见文献[6]. 气相定常流动采用时间相关法求解得到,差分 格式为MacCormaek预报一校正两步显式格式.颗 00 00 P 0 011,p ppVp. Y — Ap("一up) 一 A(一) 一!二皇 p 0 0"P 00 00 Pp0 00 p 0 0p 粒相定常流动采用特征线法求解.在喷管超声速区, 两相定常流动控制方程(U=0)为双曲型,根据需 要还可采用计算精度较高的特征线方法求解.初值 线可取为垂直于喷管轴线的直线,其上的气相和颗 粒相数据可由上游两相跨声速区的流动计算得到. 2轴对称喷管复合结构温度场数值 模拟方法 轴对称复合结构喷管通常由多种复合材料和金 属材料制成,其中复合材料的性能在径向和轴向不 同,应按照各向异性材料处理.温度场计算中,只考 第2期黄喻路,等:固体火箭发动机喷管两相流场与结构温度场一体化数值模拟与 软件实现27 虑对流换热,忽略辐射换热.燃气参数和结构材料性 能参数随发动机工作历程而相应变化. 喷管结构温度场的数值模拟采用有限元法,将 复合结构划分成三角形单元网格,单元体中的温度 模式为线性. 轴对称喷管温度场的计算方程剖为 ([日][P]){0t(-P]一[/-/]){ot…一2[F] 式中:和为计算时刻的温度. EOE0Eb [日]=?,[P]=?,[,]=[,j 式中:[h]为单元体的传热刚度矩阵;[P]为单元体 的热容刚度矩阵;[f]为单元体热载荷刚度矩阵,只 对受燃气作用的边界上的单元体有值;E.为单元总 数;为受燃气作用的边界单元体总数. …=RKR [bi bb篡/b善]+[曼c篓jc霉21sn[i墨墨]…=卜%snl.s3lL6jLcccjLo53s5j p= [:二NiNz1AeN,,=a.s..[]=迹l^I,[,]sLNm NNNjLs2J 其中,对流换热系数a.采用巴兹公式计算.影响巴 兹公式的一些参数分别表示为温度和时间的函数. A.毒(祭)()( 1 一 方程中其他参数的计算公式为 b=ZJ—Z,bi=Z一Z,b=Z一,c=R一,cj=R—R,c=一R ?e=(z+Ri++z一Riz一R),=(尺++尺) S.:[(一Rm)+(一Zm)]丁I , s.= r等sz:J=1哥 5,= fI_=;dr,.s=I_=_南dr,ss=Il1i—:_;d N=口.+biR+c.,?J=+6尺+,Nm=0m+baR+Cm, 8l=Rizm—Rmzi,aj=RmZi—RIZm,nm=Riz3一RiZt 上述喷管温度场计算方程中的各符号D.,c, .,c,Pr,P.,0,,,Ma,c和P分别为喷管喉部直 径,燃烧室的特征速度,滞止温度下燃气的黏性系 数,滞止温度下燃气的定压比热容,燃气的普朗特 数,燃烧室压强,燃气的滞止温度,喷管壁表面温度, 燃气比热容比,燃气马赫数,喷管材料的比热容和密 度.尺,R,,尺,z.,z,和z分别为三角单元3个顶点 的径向和轴向坐标. 3喷管两相流场及结构温度场一体化 数值模拟软件的实现 考虑到固体火箭发动机喷管设计与研究的具体 实情,依据计算机辅助工程思想,喷管两相流场及结 构温度场一体化数值模拟软件的主要功能如下: (1)绘图.进行喷管内型面和结构的绘制,对组 成喷管内型面和结构的曲线进行拾取,删除,剪切和 打断等操作. (2)网格设计.根据输人数据,自动生成并显示 喷管流场和结构温度场的计算网格,并为喷管流动 和结构温度场的数值模拟准备网格数据.适用于多 种材料且形状不规则的轴对称复合结构喷管. (3)喷管流动计算.根据输入的原始数据和所 生成的网格数据完成给定内型面喷管的一维流动初 场计算,轴对称喷管纯气相(或两相平衡流)初场计算和两相无黏流场数值模拟,并给出喷管的流场参 数和性能参数;为喷管温度场计算提供所需的边界 条件等数据. (4)喷管结构温度场计算.自动调入喷管流动 计算模块输出的流场数据,根据所生成的有限元网 格数据和其他原始参数完成. 软件的功能模块见图1,系统设计流程见图2. 软件的具体实现以VC++作为基本软件设计平台, 采用面向对象的程序方法.VC++拥有优秀的集成 开发环境,集编辑,编译,连接,调试,向导等多项功 能于一体,并且提供标准的MFC类库.软件设计确 保功能容易扩充和方便移植,并且使整个系统保持 28计算机辅助工程2009互 稳定,确保系统不致因修改而退化.实现人机交互式 工作能力是本软件研制的重要内容,目的是便于计 算机辅助工程思想在喷管设计与研究中获得具体应 用.为此,交互式的图形功能就成为程序设计的关键 技术,并最终实现两相流场和结构温度场数值模 拟的前后置图形处理. 系 统 控 制 绘图 ?设置屏幕坐标系 ? 绘制图形 ? 修改 鹏设计H:墨莩昌麓葬 蒌茎蠹量萎委 结篱茎秘葬算H:姜萎喜萎差荨彝 图1数值模拟软件功能模块 选择 输入喷管流场 网格参数 竺竺竺.皇兰l选择3 输入喷管流场 计算原始数据 喷管流场网格划分 竺量垫兰I I是 绘制喷管结构 兰堡.虿 选择1————]——一 喷管温度场计算 选择2 选择l 输入喷管温度场 网格设计参数 /一一/. 输入喷管温度场 计算原始数据 是I-/输出翦操 注:图中"否"字后的多条返回路径表示用户可通过人机交互实现多 种选择 图2数值模拟软件流程 4数值模拟过程示例 利用喷管两相流场及结构温度场一体化数值分 析软件,可以实现喷管结构设计和数值模拟结果的 可视化,所有计算结果的显示均在同一软件平台中 实现.图3和4是某潜入 式复合结构喷管流场有 限差分网格及温度场有 限元网格示例.如图所 示,根据给定的计算喷 管,实现流道的有限差分图3喷管流场有限差分网格 网格和结构的有限元网 格划分,均可以根据具体情况调整网格疏密和数量, 而且有限元网格可以适应多种不同材料的情况,包 括喷管热防护的复合材料和结构支撑材料.图5,7 显示相应喷管的部分两相流场和结构温度场计算结 果.前者体现两相喷管流动的重要特征,如极限粒子 流线;后者是喷管工作60s后的结构温度场分布,可 以看出潜入式喷管整个收敛段的受热状况相当恶 劣.数值模拟结果充分反映喷管的实际工作情况. 图4喷管结构温度场 有限元网格(局 部放大) 图6喷管内流场无量 纲温度场分布 图5喷管内流场的气 相马赫数分布 图7喷管头部结构无 量纲温度场分布 5结论 固体火箭发动机喷管两相流场及结构温度场一 体化数值模拟方法和软件,可实现从喷管型面和结 构的交互式绘制到有限差分网格和有限元网格的自 动划分和显示,从二维轴对称两相无黏流动到二维 轴对称结构温度场的一体化数值模拟以及两相流场 和结构温度场的有机结合,从而有助于在统一的软 件平台上充分利用计算机辅助完成喷管性能与结构 的综合评估.所研发的软件具有较好的适应性和灵 活性,可以在实际喷管设计和分析过程中加以应用. (下转第33页) 第2期王大伟,等:基于有限元法的滚珠丝杠传动过程中的温度场和热变形仿真33 为查看丝杠工作导程部分各点的变形情况,对 螺母循环8次的热应力分析结果,沿轴向在丝杠表 面每隔24mm取1个节点,提取变形结果,见图7. 仨 基 旦 避 舡 _ - l ,vL. , ll, |-? I.I. , , ' , ,UlUUl5UZuU250jUU3504004.5ULIU 节点轴向坐标/ram 图7丝杠节点位移变化曲线 节点应变曲线由3个部分组成,靠近两端轴承 部分和中间部分,越靠近轴承支撑部分,沿轴向节点 参考文献: 变形变化率越大,丝杠中间部分节点变形的变化率 接近恒定值.通过节点变形图可以非常直观地得到 工作丝杠各点的变形情况,丝杠工作部分最大变形 发生在靠近自由端的导程上节点,约为7p,m. 5结论 根据丝杠工作状况建立丝杠温度场ANSYS分 析模型,获得丝杠工作过程中的各部分温度分布和 沿丝杠轴向温度变化曲线,以及各节点的温度变化 情况对比,可以得到轴承和螺母的发热对丝杠温升 的影响情况,为轴承支撑,散热及润滑结构设计提供 参考.以对丝杠的热分析为基础,进行热分析一应力 分析的耦合场分析.根据变形分析结果,可以对滚珠 丝杠进行热误差的补偿设计,为精密加工机床进给 系统热稳定性设计提供依据.该热分析模型可作为 高精度机床进给传动结构设计的参考模型. [1]BRACCESIC,LANDIL.Ageneralelastic?plasticapproachtoimpactanalysisforstresss tatelimitevaluationinballscrewbearingsreturn system[J].IntJImpactEng,2007,34(7):1272-1285. [2]陈琳,李郝林.丝杠磨削过程中的温度场和热变形分析[J].机械工人:冷加工,2007(10):36.38. [3]缪亚雄,孙蓓蓓.滚珠丝杠系统的热特性建模与分析研究[J].中国制造业信息化,2008,37(3):46-48. [4]宋景涛,方明霞.模态综合法在ANSYS中的应用,计算机辅助工程,2007,16(3):145-148. [5]杨世铭,陶文栓.传热学[M].北京:高等教育出版社.1998. 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