固体火箭发动机气-固两相近壁湍流特性大涡模拟研究

摘要：

固体火箭发动机内流场是典型的两相湍流流动,其流动特性对推进剂的燃烧影响极大.工程实践中大多采取雷诺平均(RANS)方法计算两相流问题,精度不高且无法解析流场中的湍流结构.采用大涡模拟(LES)与离散颗粒模型(DPM)分别对纯气相和气-固两相条件下的发动机内流场流动过程进行了数值模拟;通过对时均流场与瞬态流场的分析以及对近壁面(即注入表面)的物理参数开展时空平均,重点研究了近壁湍流特性;采用时空相关性分析与降阶变分模态分解(RVMD),重点探究了近壁面的旋涡脱落.结果表明,颗粒集中在内流场的中部,由于惯性的差异,越大的颗粒越接近中心;由于颗粒相与气相之间存在速度滞后和热量交换,颗粒相的注入会使内流场的轴向速度和温度降低、压强升高;发动机内流场会出现明显的壁面涡脱落,而颗粒相的引入会增加内流场的不规则扰动,从而使得旋涡脱落、破碎的位置提前,并减小涡结构的尺寸,使观察到的旋涡更加破碎;颗粒相的引入还能够减缓近壁面附近的温度梯度,抑制不稳定燃烧现象;同时,颗粒相的存在会使近壁面的径向速度降低、压力升高,降低和升高的幅度约为 1.8%.对近壁面的压力振荡分析表明,颗粒相的存在能够抑制高频压力振荡的产生,使得纯气相条件下 1853 Hz的振荡模态消失,只保留 1425 Hz的模态.纯气相和气-固两相流场的脱涡位置分别为x/m=0.54、x/m=0.44,说明气-固两相流场旋涡脱落的位置更靠前.

关键词：固体火箭发动机、气-固两相流、大涡模拟、离散颗粒模型

所属期刊栏目：47

分类号：V435(推进系统（发动机、推进器）)

在线出版日期：2024-09-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共10页

页码：519-528