压力恢复系统超声速扩散段三维流场数值模拟

　　压力恢复系统是实现气动设备压力大比例增升的关键设备之一,一般与其他气动设备配合使用。其主要由扩散段和多级引射器组成,超声速扩散段(简称超扩 段)是其中重要组成部分。我部研制的一套压力恢复系统,来流接口需承接超声速阵列喷管,瞬时降低气流温度和压力,从而冻结某些化学反应,以便达到工作条 件,超扩段入口气流静压低(665Pa左右),气流为超音速,因此需承接超扩段,在维持阵列喷管出口超音速流场的前提下,应尽量提高超扩段出口静压,以利 于后置二级引射器将废气排入大气中。

　　压力恢复系统的超扩段来流条件,与常规风洞的超扩段有很大的不同,它的入口宽度与高度比可达到30～40,高度只有60mm,并且来流静压很 低,使得入口雷诺数比常规扩散段低几个数量级。通过工程计算的方法无法确定超扩段的长度,国外通过实验手段得到一些有效的指导性结果[1],但是,由于阵 列喷管的低雷诺数特性,超扩段入口附面层厚度对超扩段流场影响较大,即使相同的入口马赫数,超扩段内部涡街长度变化也较大,这就对超扩段性能估算造成困 难,借助CFD技术对超扩段流场进行数值模拟,不仅节省经费,而且可得到详尽的流场结构,为超扩散段的优化设计提供一个有效的手段。

　　 1　计算方法

　　Navier-Stokes是流体计算的控制方程,表征了连续流之间的相互关系。三维Navier-Stokes方程经座标变换后为[2,3](忽略热源项和彻体力项)

　　上述控制方程组为非线性偏微分方程,对它的求解五花八门,本文使用NND(无振荡、无自由参数)差分格式,NND属TVD类格式,对激波有较强 的捕捉能力;另外,考虑到流场既有激波,又有附面层分离,计算中引入代数湍流模型。使用时间相关法求解定常流场,用LU方法求解全雷诺平均的 Navier-Stokes方程,以提高计算效率。

　　代数湍流模型选用Baldwin-Lomax模型。这种模型的涡粘性系数由代数式表示。模型分为内层和外层分别计算[4]

　　 2　计算结果及分析

　　压力恢复系统超扩段外形见图1。物理计算模型选用大连化学物理研究所某装置阵列喷管段及承接其后的超扩段。在计算中,为了减少入口边界条件的假 设对计算结果的影响,计算域延伸到阵列喷管前部,计算域出口为扩散段出口。计算网格见图2,网格数为161×21×21,在壁面附近和喷管区域对网格进行 了加密。

　　计算来流条件:喷管前总压35×133Pa;扩散段出口静压13.8×133Pa;流体介质为空气;比热比为1.4;气体常数为287J/(K·kg);来流总温298K。