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注水参数对火箭喷流流场的影响规律研究

刘俊林 张子赫 张志成 徐希海

刘俊林, 张子赫, 张志成, 等. 注水参数对火箭喷流流场的影响规律研究[J]. 航空动力学报, 2023, 38(10):2415-2429 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230292
引用本文: 刘俊林, 张子赫, 张志成, 等. 注水参数对火箭喷流流场的影响规律研究[J]. 航空动力学报, 2023, 38(10):2415-2429 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230292
LIU Junlin, ZHANG Zihe, ZHANG Zhicheng, et al. Research on the influence of water injection parameters on flow field of rocket jets[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(10):2415-2429 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230292
Citation: LIU Junlin, ZHANG Zihe, ZHANG Zhicheng, et al. Research on the influence of water injection parameters on flow field of rocket jets[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(10):2415-2429 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230292

注水参数对火箭喷流流场的影响规律研究

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230292
基金项目: 专项课题(ZRHT2020T05); 国家科技重大专项(J2019-Ⅱ-0006-0026);航空发动机及燃气轮机基础科学中心项目(P2022-B-Ⅱ-012-001)
详细信息
    作者简介:

    刘俊林(1988-),男,助理研究员,硕士,主要从事发射导流安全与射流环境控制等方面的研究

    通讯作者:

    徐希海(1986-),男,助理研究员,博士,主要从事气动声学、喷流噪声等方面的研究。E-mail:xuxihai@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V411.6

Research on the influence of water injection parameters on flow field of rocket jets

  • 摘要:

    为了研究火箭起飞时不同注水参数对火箭尾焰喷流流场的影响规律,以某火箭发动机缩比喷管为研究对象,基于计算流体力学(CFD)方法及Mixture多相流模型开展了注水时单喷管火箭喷流流场的数值计算研究。以注水速度、流量、位置等注水条件为变量,量化分析了注水对火箭喷流平均温度、压力、速度和湍动能场的影响。结果表明:注水速度大于30 m/s时,可有效降低喷管射流的温度和速度,当注水速度低于20 m/s时,注水对喷流轴线上物理量的影响变小;注水速度为30 m/s,且流量大于2.2倍喷管射流秒流量时,可以有效降低喷管射流温度和速度;注水与喷流作用点位于喷管射流前三个激波位置时,注水对喷流降温降速效果较好,且作用点越靠近上游,对喷管射流的影响越明显,但实际工程应用中应避免注水溅到喷管上。

     

  • 图 1  拉瓦尔喷管(单位:mm)

    Figure 1.  Laval nozzle (unit: mm)

    图 2  注水管与燃气喷管相对位置

    Figure 2.  Relative position of water injection pipe and gas nozzle

    图 3  注水管尺寸示意图

    Figure 3.  Size of water injection pipe

    图 4  背景网格

    Figure 4.  Background grid

    图 5  喷流网格

    Figure 5.  Nozzle grid

    图 6  注水管网格

    Figure 6.  Water injection grid

    图 7  重叠网格部分

    Figure 7.  Overset grid

    图 8  重叠网格局部放大

    Figure 8.  Enlargement of overset grid

    图 9  平均速度云图

    Figure 9.  Contour of average velocity

    图 10  平均静压云图

    Figure 10.  Contour of mean static pressure

    图 11  喷管轴线上的流向速度

    Figure 11.  Flow velocity of nozzle axis

    图 12  水与喷流接触区域的压力云图

    Figure 12.  Pressure contour of the area water in contact with jet

    图 13  自由射流Y方向截面温度云图

    Figure 13.  Temperature contour of free jet in Y direction section

    图 14  注水时喷管燃气流向截面温度云图

    Figure 14.  Temperature contour of nozzle jet with water injection in direction of fluid

    图 15  水蒸气体积分数图

    Figure 15.  Volume fraction contour of vapour

    图 16  汽化与无汽化时喷管轴线上的密度对比

    Figure 16.  Comparison of density on nozzle axis between vaporization and no-vaporization

    图 17  汽化与无汽化时喷管轴线上的静压分布

    Figure 17.  Comparison of static pressure on nozzle axis between vaporization and no-vaporization

    图 18  汽化与无汽化时距离喷管出口20DX方向上的温度分布

    Figure 18.  Comparison of temperature in X direction on 20D between vaporization and no-vaporization

    图 19  注水速度20 m/s时的静压云图

    Figure 19.  Static pressure contour of 20 m/s water injection

    图 21  不同注水速度时喷管轴线上的静压分布图

    Figure 21.  Static pressure on nozzle axis of different velocity of water injection

    图 20  注水速度45 m/s时的静压云图

    Figure 20.  Static pressure contour of 45 m/s water injection

    图 22  距离喷管出口5DX方向上的不同注水速度时的静温分布图

    Figure 22.  Static temperature of different water injection velocity in X direction on 5D

    图 23  不同注水速度时喷管轴线上的静温分布线图

    Figure 23.  Static temperature on nozzle axis of different velocity of water injection

    图 24  不同注水速度时喷管轴线上的速度分布线图

    Figure 24.  Velocity magnitude on nozzle axis of different velocity of water injection

    图 25  不同注水速度时喷管轴线上的湍动能分布线图

    Figure 25.  Turbulence kinetic energy on nozzle axis of different velocity of water injection

    图 26  注水速度20 m/s时水蒸气体积分数图

    Figure 26.  Volume fraction contour of vapour while the water injection velocity is 20 m/s

    图 27  注水速度30 m/s时水蒸气体积分数图

    Figure 27.  Volume fraction contour of vapour while the water injection velocity is 30 m/s

    图 28  注水速度40 m/s时水蒸气体积分数图

    Figure 28.  Volume fraction contour of vapour while the water injection velocity is 40 m/s

    图 29  注水管宽度L2=10 mm时的静压云图

    Figure 29.  Static pressure contour of water injection pipe width at L2=10 mm

    图 30  注水管宽度L2=70 mm时的静压云图

    Figure 30.  Static pressure contour of water injection pipe width at L2=70 mm

    图 31  注水管在不同宽度时喷管轴线上的压力分布图

    Figure 31.  Static pressure on nozzle axis of different size of water injection pipe

    图 32  距离喷管出口5DX方向上不同注水管宽度时的温度分布图

    Figure 32.  Static temperature of different size of water injection pipe in X direction on 5D

    图 33  注水管在不同宽度时喷管轴线上的静温分布图

    Figure 33.  Static temperature on nozzle axis of different size of water injection pipe

    图 34  注水管在不同宽度时喷管轴线上的速度分布图

    Figure 34.  Velocity magnitude on nozzle axis of different size of water injection pipe

    图 35  不同注水管宽度时喷管轴线上的湍动能分布图

    Figure 35.  Turbulent kinetic energy on nozzle axis of different size of water injection pipe

    图 36  注水管宽度10 mm时水蒸气体积分数图

    Figure 36.  Volume fraction contour of vapour while the water injection pipe width is 10 mm

    图 37  注水管宽度50 mm时水蒸气体积分数图

    Figure 37.  Volume fraction contour of vapour while the water injection pipe width is 50 mm

    图 38  注水速度8 m/s时Y方向截面温度云图

    Figure 38.  Temperature contour in Y direction while the water injection velocity is 8 m/s

    图 39  注水速度66 m/s时Y方向截面温度云图

    Figure 39.  Temperature contour in Y direction while the water injection velocity is 66 m/s

    图 40  不同注水速度时喷管轴线上的静温分布图

    Figure 40.  Static pressure on nozzle axis of different velocity of water injection

    图 41  不同注水速度时喷管轴线上的速度分布图

    Figure 41.  Velocity magnitude on nozzle axis of different velocity of water injection

    图 42  不同注水速度时喷管轴线上的湍动能分布图

    Figure 42.  Turbulent kinetic energy on nozzle axis of different velocity of water injection

    图 43  注水高度h=−25 mm时的静压分布图

    Figure 43.  Static pressure contour of water injection height h=−25 mm

    图 44  注水高度h=150 mm时的静压分布图

    Figure 44.  Static pressure contour of water injection height h=150 mm

    图 45  不同注水高度时喷管轴线上的静温分布图

    Figure 45.  Static temperature on nozzle axis of different water injection height

    图 46  不同注水高宽度时喷管轴线上的速度分布图

    Figure 46.  Velocity magnitude on nozzle axis of different water injection height

    图 47  不同注水高宽度时喷管轴线上的湍动能分布图

    Figure 47.  Turbulent kinetic energy on nozzle axis of different water injection height

    图 48  注水高度h=150 mm时的静温云图

    Figure 48.  Static temperature contour of water injection height h=150 mm

    图 49  注水高度h=150 mm时的密度云图

    Figure 49.  Denisty contour of water injection height at h=150 mm

    表  1  燃气喷管工况

    Table  1.   Gas nozzle condition

    参数数值
    喷管入口直径D1/mm50
    喷管喉道直径D2/mm19
    喷管出口直径D/mm67
    喷管长度L/mm207
    喷管进口总压p*/106 Pa5.5
    喷管进口总温T*/K3700
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    表  2  燃气物性参数表

    Table  2.   Gas property parameter

    参数数值
    摩尔质量M /(g/mol)25.88
    比定压热容cp/ (kJ/(kg∙K))1.9174
    导热系数/(W/(m∙K))0.205
    动力黏度/10−5 (kg/(m∙s))6.37
    下载: 导出CSV

    表  3  不同注水速度的工况说明

    Table  3.   Condition of different water infection velocity

    序号水管出口尺寸/mm注水流速/(m/s)注水流量/(kg/s)
    14×30204.8
    24×30307.2
    34×30358.4
    44×30409.6
    54×304510.8
    下载: 导出CSV

    表  4  不同注水管尺寸的工况说明

    Table  4.   Condition of different size of water injection pipe

    序号水管出口尺寸/mm注水流速/(m/s)注水流量/(kg/s)
    14×6301.44
    24×10302.4
    34×20304.8
    44×30307.2
    54×503012
    64×703016.8
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    表  5  相同注水流量的工况说明

    Table  5.   Condition of same water injection flow

    序号水管出口尺寸/mm注水流速/(m/s)注水流量/(kg/s)
    14×666.663.2
    24×10403.2
    34×20203.2
    44×3013.333.2
    54×5083.2
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    表  6  不同注水管高度的工况说明

    Table  6.   Condition of different height of water injection pipe

    序号水管出口尺寸/mm注水流速/(m/s)注水管高度/mm
    14×1040150
    24×104050
    34×10400
    44×1040−25
    54×1040−100
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2023-05-04
  • 网络出版日期:  2023-08-28

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