楊興林, 曾忠平, 陳友喜, 宋 駿

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于CFD技術(shù)某超大型復(fù)雜腔體流場數(shù)值研究

楊興林, 曾忠平, 陳友喜, 宋 駿

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為研究復(fù)雜腔體內(nèi)航行體在出筒過程中的燃氣流場和腔體內(nèi)部壓力建立情況,采用計算流體力學(xué)方法和動網(wǎng)格技術(shù),對航行體出筒過程進行數(shù)值模擬.將安置在腔體內(nèi)的航行體作為運動實體,隨著航行體的運動,相應(yīng)的流場計算邊界發(fā)生變化.計算過程根據(jù)當(dāng)前時刻噴管內(nèi)流場及燃氣流場計算航行體受力情況,確定航行體在任意計算時刻的運動速度,并由相應(yīng)的運動邊界更新網(wǎng)格,計算新網(wǎng)格下的流場參數(shù)分布.計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好,說明文中方法能夠有效地揭示航行體出筒過程中燃氣流的動力特性,通過分析這些流動現(xiàn)象,為工程應(yīng)用提供有意義的參考.

計算流體力學(xué); 動網(wǎng)格; 燃氣流

近年來,很多氣體射流理論尚未完全成熟,在實際工程領(lǐng)域中的問題還得依靠試驗和數(shù)值模擬來解決.這類試驗都存在周期長、費用高的特點,而數(shù)值模擬技術(shù)具有研究周期短,經(jīng)費消耗少等特點,在實際研究過程中得到了廣泛的應(yīng)用.在航空航天及武器系統(tǒng)的研究中,存在著許多可以通過數(shù)值模擬來解決的問題,如:燃氣射流沖擊作用[1]、飛行器氣動干擾[2]等.通過對這些問題進行數(shù)值模擬,可以更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機理,為實驗研究提供指導(dǎo),節(jié)省實驗所需的人力、物力和時間,并對實驗結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導(dǎo)作用[3].

為了進一步增強航行體在出筒過程中的可靠性,需要對腔體進行多種復(fù)雜環(huán)境條件下的計算分析,國內(nèi)目前許多研究人員已經(jīng)采用計算流體力學(xué)方法進行了大量的數(shù)值模擬,并取得了一定的成果[4-14].但對于航行體在出筒過程中腔體內(nèi)密封圈的漏氣規(guī)律及密封圈上的開孔對腔內(nèi)壓力建立的影響研究較少.文中研究對象為某水下固定復(fù)雜腔體系統(tǒng),涉及航行體整個出筒過程的研究,是一個復(fù)雜的三維非定長瞬變物理過程.由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性,需要考慮該系統(tǒng)流場的分布情況,密封圈上的開孔漏氣規(guī)律，以及氣密封圈上是否開孔會對腔內(nèi)壓力的建立產(chǎn)生影響等.文中充分利用Fluent良好的仿真功能,對航行體出筒過程作了動態(tài)模擬,利用動網(wǎng)格技術(shù)并與可編譯型UDF程序代碼相配合實現(xiàn)航行體出筒過程的動態(tài)流場變化的仿真計算.通過對計算結(jié)果的總結(jié)分析得出腔體內(nèi)部流場運動規(guī)律,為工程應(yīng)用提供有意義的參考.

1 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法

1.1 控制方程

數(shù)值模擬采用三維非定常雷諾平均N-S方程,其控制方程如下[15-17]:

1)連續(xù)性方程

(1)

2)動量方程

(2)

3)能量方程

(3)

式中:keff為有效熱傳導(dǎo)率(k+kt);kt為湍流熱傳導(dǎo)率,是由湍流模型決定的,方程右側(cè)第一項代表的是熱傳導(dǎo);SE為所有的體積熱源.

4)狀態(tài)方程

p=ρRT

(4)

式中:R為摩爾氣體常數(shù).

5)體積分數(shù)方程

(5)

式中:mp為能量源項.

1.2 湍流模型

對于計算模型,文中使用k-ε雙方程模型進行湍流計算.該模型有3種不同的類型,分別為:標準k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型[18].其中RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型是標準k-ε模型的修正方案,RNGk-ε模型主要適用于包含射流的管道內(nèi)流動以及流線彎曲程度較大的流動,而Realizablek-ε模型主要適用于混合流的自由流動以及帶有分離的流動,因此文中選擇適用于射流的RNGk-ε模型進行計算.

1.3 UDF技術(shù)

用戶自定義函數(shù),或UDF,是用戶自編的程序,它可以動態(tài)的連接到Fluent求解器上來提高求解器性能.用戶自定義函數(shù)用C語言編寫.使用DEFINE宏來定義.UDF中可使用標準C語言的庫函數(shù),也可使用Fluent Inc.提供的預(yù)定義宏,通過這些預(yù)定義宏,獲得Fluent求解器得到的數(shù)據(jù)，從而解決一些標準的Fluent模塊不能解決的問題[19].

為了實現(xiàn)航行體出筒過程的仿真模擬,因此使用到動網(wǎng)格技術(shù).航行體在運動過程中可以認為只受到重力和阻力的作用,運用DEFINE_CG_MOTION宏來指定航行體運動區(qū)域的網(wǎng)格運動,該宏能夠指定每一時間步的線速度與角速度,而且能夠提取出指定面上所受的合力,所以運用動量定理,即FΔt=mΔv,就能夠?qū)Σ煌瑫r刻的速度進行累加,實現(xiàn)航行體加速運動的速度加載過程.Fluent利用加載后的速度值動態(tài)地更新區(qū)域的節(jié)點位置,同時實現(xiàn)網(wǎng)格的動態(tài)更新.同理運用DEFINE_PROFILE宏對輸入氣源參數(shù)進行編寫,實現(xiàn)氣源參數(shù)隨時間動態(tài)加載到Fluent求解器的目標.

1.4 數(shù)值方法

運用目前比較流行的CFD商用軟件Fluent進行求解計算.利用壓力的穩(wěn)式算子分割算法(pressure implicit with splitting of operators,PISO)對三維非定長流流場進行求解,并利用動網(wǎng)格更新方法對運動區(qū)域網(wǎng)格進行動態(tài)更新.

2 計算模型

2.1 模型計算域

整個流場計算域如圖1,可分為底腔部分、被密封圈隔開的腔體部分以及密封圈部分,其中密封圈部分由若干均勻分布的小孔組成,腔體中被去除的部分為支撐塊.

圖1 流場計算域Fig.1 Flow field calculation domain

2.2 計算網(wǎng)格

為了得到高質(zhì)量的網(wǎng)格單元,文中采用分塊網(wǎng)格劃分方法,并結(jié)合Map，Cooper以及Tet/Hybrid等網(wǎng)格劃分手段對計算域進行了網(wǎng)格的劃分,同時利用混合網(wǎng)格方法將六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格很好的連接起來.如圖2為用于仿真計算的網(wǎng)格模型,圖3為部分特殊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格示意圖.其中計算模型的網(wǎng)格單元個數(shù)為558586.

圖2 流場計算域網(wǎng)格Fig.2 Grid of flow field calculation domain

圖3 部分網(wǎng)格示意圖Fig.3 Schematic diagram of part grid

3 計算結(jié)果分析

3.1 流場分布規(guī)律

圖4～6為不同時刻下的計算域流場分布情況.由圖4可知腔內(nèi)壓力峰值達3.0MPa左右,航行體尾部尚未經(jīng)過其所在的腔體上端密封圈時,航行體尾部所在腔體壓力與航行體尾部即將到達的下一個腔體內(nèi)的壓力在數(shù)量級上相差較大,形成了較為明顯的壓力突變.巨大的壓力差必然導(dǎo)致密封圈上開孔處劇烈的流場現(xiàn)象(其中開孔處馬赫數(shù)可達到5),因此航行體在筒內(nèi)運動過程中,由于受到高溫、高壓沖擊射流的影響,密封圈極有可能出現(xiàn)破壞.由圖5可知底腔區(qū)域的溫度較其它部分腔體的溫度高,超音速氣體在經(jīng)過入口發(fā)動機高速噴出后,整個底腔區(qū)域都被高溫氣體所包圍,并在底腔形成一個較大的回轉(zhuǎn)流場,引起氣體溫度不斷升高,從而造成被引射進入筒內(nèi)的氣體溫度升高,導(dǎo)致航行體在筒內(nèi)的環(huán)境不斷惡化.由圖6可知,超音速射流燃氣在進入底腔后,由于粘性的影響,對腔體內(nèi)部氣體產(chǎn)生直接的帶動作用,從而形成了一個較大的流場旋轉(zhuǎn)區(qū)域,同時小孔處流場非常劇烈.

圖4不同時刻壓力場(單位:Pa)
Fig.4Pressurecontoursatdifferenttimes(Unit:Pa)

圖5不同時刻溫度場(單位:K)
Fig.5Temperaturecontoursatdifferenttimes(unit:K)

圖6不同時刻二維速度場(單位:m·s-1)
Fig.6Two-dimensionalvelocityvectoratdifferenttimes(unit:m·s-1)

3.2 數(shù)值模擬與實驗校核

圖7為運用數(shù)值模擬得到的腔體底部壓強隨時間變化的關(guān)系與實驗數(shù)據(jù)的對比.從圖中可以看出,計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相符合說明使用文中的數(shù)值模擬方法對腔體模型進行航行體出筒過程的動力學(xué)研究是可行的,從圖中變化來看,腔體底腔中心點的壓力在0.38s之前都處于不斷遞增的狀態(tài),在0.38s之后底腔壓力開始了遞減.這主要是因為在航行體運動之前為了保證其有充足的推力,需要將腔內(nèi)的壓力迅速增加起來,當(dāng)航行體速度提升至合適值后,往腔體內(nèi)注入的燃氣可適當(dāng)減少,因此腔內(nèi)壓力出現(xiàn)了下降,但航行體的加速度在整個出筒過程中都為正值.從圖中還可以看出數(shù)值計算所得的腔體底部壓強要比實驗數(shù)據(jù)小一些,說明根據(jù)實驗工況擬合出來的輸入燃氣質(zhì)量流要比實驗實際輸入的燃氣質(zhì)量流小.

圖7 數(shù)值模擬與實驗所測底腔中心點壓力時間歷程曲線對比Fig.7 Numerical simulation and experimental measurementthe pressure time history curves of the centerpoint of the bottom cavity

3.3 腔內(nèi)特定點壓力時間歷程曲線

圖8～10為計算得出的腔內(nèi)特定點壓力時間歷程曲線(其中特定點為每個腔體幾何中心周向分布的4個軸線位置點),分別為第一個腔體內(nèi)特定點的壓力時間歷程曲線至第三個腔體內(nèi)特定點的壓力時間歷程曲線.從圖中可看出腔體內(nèi)同一高度特定點壓力曲線幾乎是重合的,而且流場相對劇烈的第一個腔體內(nèi)的特定點壓力時間歷程曲線波動性同樣較小,因此可以得出密封圈上小孔的漏氣不對腔體周向壓力的均勻性產(chǎn)生影響,或影響程度較小.

圖8 第一個腔體內(nèi)特定點壓力時間歷程曲線Fig.8 Pressure time history curves of fistcavities within a particular point

圖9 第二個腔體內(nèi)特定點壓力時間歷程曲線Fig.9 Pressure time history curves of secondcavities within a particular point

圖10 第三個腔體內(nèi)特定點壓力時間歷程曲線Fig.10 Pressure time history curve of thirdcavities within a particular point

4 結(jié)論

文中運用流體動力學(xué)方法建立了非定長條件下粘性、可壓,三維復(fù)雜腔體超音速欠膨脹燃氣射流的數(shù)學(xué)模型,運用動網(wǎng)格技術(shù),對航行體的出筒過程內(nèi)部流場流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬,從計算結(jié)果中可以看到空間復(fù)雜的激波系形狀及航行體出筒過程中各參數(shù)的動態(tài)發(fā)展變化趨勢,得到結(jié)論如下:

1) 航行體在出筒過程中,腔內(nèi)壓力在特定時刻點會產(chǎn)生壓力突變,這主要是由于密封圈對所連接腔體的隔斷造成的;

2) 通過對腔內(nèi)特定點進行動態(tài)壓力監(jiān)測,得出密封圈上的開孔并不對腔內(nèi)周向壓力的均勻性產(chǎn)生影響,或影響較小;

3) 文中為復(fù)雜腔體系統(tǒng)實驗研究提供了一定程度的理論依據(jù),具有普遍的參考性.

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(責(zé)任編輯：曹 莉)

NumericalstudyofflowfieldinahugecomplexcavitybasedonCFDtechnology

Yang Xinglin, Zeng Zhongping,Chen Youxi, Song Jun

(School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

In order to study the fuel gas flow field and the housing internal pressure establishment situation as a navigation body leaves a complex cavity, we use the computation hydromechanics method and the move grid technology to numerically simulate the navigation body leving the tube. As the navigation body moves, the corresponding boundary changes in flow field calculation. Calculations according to the current nozzle flow field and gas flow field calculation of navigation body stress situation, determine navigation body on any computing time of the movement speed, and by the corresponding movement boundary renewal grid, calculates under the new grid the flow field parameter distribution. The computed result indicated that, the computed result and the experimental result tally well, explained this article method can effectively promulgate the navigation body leave in the tube process the gas stream dynamic performance, through analyzes these phenomena of flow, To provide a meaningful reference for engineering application.

computational fluid dynamics; dynamic mesh; gas flow

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.04.012

2014-04-21

楊興林(1964—)，男，博士后，教授，研究方向為零件加工與材料制備一體化.E-mail:hcyangx12010@163.com

TB126

A

1673-4807(2014)04-0364-06