【摘要】：重型運(yùn)載火箭具有較大的尺度,需并聯(lián)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽流總溫高,對(duì)箭體底部存在較強(qiáng)的輻射熱流,且隨著飛行高度的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)羽流會(huì)出現(xiàn)較大程度膨脹并相互作用,惡化火箭底部熱環(huán)境。相關(guān)問題在重型運(yùn)載火箭領(lǐng)域具有重要的工程價(jià)值。重型運(yùn)載火箭的尺寸大,發(fā)動(dòng)機(jī)總壓及總溫高,在其設(shè)計(jì)過程中,需要進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)評(píng)估底部熱環(huán)境,提供熱防護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)。然而受限于風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸及實(shí)驗(yàn)條件,大尺度火箭在實(shí)驗(yàn)時(shí)需進(jìn)行尺度縮比。目前,尺度縮比對(duì)火箭底部熱流的影響規(guī)律還鮮有研究;另外,由于重型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總壓高,按額定值實(shí)驗(yàn)將對(duì)設(shè)備、安全性及成本帶來挑戰(zhàn),需考慮降總壓模擬的可行性,但總壓變化對(duì)火箭底部熱流的影響規(guī)律目前尚無清晰認(rèn)識(shí)。本文采用考慮輻射傳熱的數(shù)值模擬方法,建立大尺度多噴管火箭模型,計(jì)算并分析了不同飛行高度條件下尺度縮比和發(fā)動(dòng)機(jī)總壓變化對(duì)火箭底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響,重點(diǎn)考察了底部熱流密度的變化規(guī)律,為大尺度火箭底部熱流地面試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。研究?jī)?nèi)容及進(jìn)展如下:(1)針對(duì)模擬對(duì)象和條件開展了流場(chǎng)特征、輻射模型及氣體輻射特性的數(shù)值校核,與公開文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)取得了一致,驗(yàn)證了本文所采取計(jì)算方法和模型的可靠性。(2)針對(duì)二維等效簡(jiǎn)化模型對(duì)火箭在高空環(huán)境下的尺度縮比流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明,尺度縮比后流場(chǎng)具有相似性,火箭底部最大熱流密度隨模型尺度減小呈非線性上升趨勢(shì),符合理論預(yù)期。(3)針對(duì)三維全尺寸模型在不同飛行高度下的流場(chǎng)開展了計(jì)算表明,飛行高度較低時(shí),各噴管噴流之間無相互作用,并在羽流下游高溫恢復(fù)區(qū)保持較高輻射強(qiáng)度。隨飛行高度增加,發(fā)動(dòng)機(jī)噴管射流不斷膨脹并產(chǎn)生局部回流,噴管附近高溫區(qū)保持較高輻射強(qiáng)度。綜合結(jié)果顯示,隨著飛行高度增加,火箭底部熱流密度呈非線性增加。(4)針對(duì)不同飛行高度下的尺寸縮比計(jì)算表明,縮比后流場(chǎng)相似,對(duì)流傳熱增加,而輻射傳熱則在低公里數(shù)時(shí)增加,高公里數(shù)時(shí)降低,總的最大熱流密度隨尺度減小呈非線性增加。(5)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流總壓變化對(duì)底部熱流影響計(jì)算表明,壓比相同條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)羽流總壓降低,對(duì)流及輻射熱流降低,底部最大熱流密度隨總壓降低呈線性降低。
【圖文】：

Ａ７ｍｍ逡逑模型網(wǎng)格逡逑圖２．１推進(jìn)中心標(biāo)準(zhǔn)算例模型及網(wǎng)格逡逑１６０邋－逡逑＿邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｒｅｓｕｌｔｓ逡逑１４０－邐邋Ｎｕｍｂｅｒｉａｌ邋ｒｅｓｕｌｔ邋Ｘ＊逡逑ｆ邋１２０邋－邐Ｉ逡逑ｉ00＾邋／逡逑６０邋－邋＼ｌ逡逑１００邐１５０邐２００逡逑Ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｌｅａｄｉｎｇ邋ｅｄｇｅ／ｍｍ逡逑圖２．２壁面壓力分布曲線對(duì)比逡逑通過圖２．２可以看出，由數(shù)值計(jì)算得出的藍(lán)色曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，說逡逑明本文選擇的計(jì)算軟件在流場(chǎng)的湍流計(jì)算中可以取得較為可信的結(jié)果。逡逑２．４輻射計(jì)算校核逡逑針對(duì)涉及高溫燃?xì)獾募t外輻射問題，前人提出了很多模型，Ｆｌｕｅｎｔ中提供的逡逑離散坐標(biāo)（ＤＯ）模型可以適應(yīng)從光學(xué)薄到光學(xué)厚的各種問題。為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)逡逑確性，對(duì)某經(jīng)典二維吸收介質(zhì)算例進(jìn)行驗(yàn)證Ｐ１。計(jì)算模型如圖２．３，半徑為ｌｍ逡逑的半圓中部去除一個(gè)半徑為０．２邋ｍ的整圓，計(jì)算域內(nèi)部介質(zhì)保持恒定溫度為１０００逡逑Ｋ，壁面為黑體表面，溫度為０Ｋ。按吸收系數(shù)不同分為０．１、１和１０邋ｍ－ｉ三種工逡逑況，計(jì)算比較半圓底部的無量綱熱流密度。逡逑１１逡逑

圖２．３半圓模型示意圖逡逑三種吸收系數(shù)對(duì)應(yīng)從光學(xué)薄到光學(xué)厚，將Ｆｌｕｅｎｔ計(jì)算結(jié)果和精確解進(jìn)行對(duì)比逡逑如圖２．４，可以看出，當(dāng)光學(xué)厚度較薄時(shí)，，介質(zhì)吸熱很少，底部無量綱熱流密度逡逑相應(yīng)很��；當(dāng)光學(xué)厚度增大時(shí)，介質(zhì)吸收較大部分能量，與底部邊界進(jìn)行熱量交逡逑換，這時(shí)底部無量綱熱流密度相應(yīng)增大，數(shù)值計(jì)算和精確解的結(jié)果都很好的體現(xiàn)逡逑了這點(diǎn)，證明了邋Ｈｕｅｎｔ軟件中提供的ＤＯ輻射模型基本可靠，能夠較好的計(jì)算本逡逑文研宄問題。逡逑＊邋／邐■邐ｅｘａｃｔ：ａ＝０．１邐＊逡逑＇／邐Ｐ邐ｅｘａｃｔ：ａ＝ｌ邐＾逡逑０．８邋ｊ邐■邐ｅｘａｃｔ：ａ＝１０逡逑ｊ邐———邐Ｆｌｕｅｎｔ：ａ＝ｌ逡逑＾邐邐邋Ｆｌｕｅｎｔ：ａ＝０．１逡逑銀邐邐ＦＩｕｅｎｔ：ａ＝１０逡逑Ｉ＂＇…逡逑Ｓ邋：／邐＾邐＼逡逑＾邋０．４邋－邐氣逡逑Ｉ邐＞逡逑０．２邋－逡逑－１邐＾０５邐０邐０５邐１逡逑Ｘ（ｍ）逡逑圖２．４無量綱熱流密度比較逡逑為了保證輻射問題計(jì)算的準(zhǔn)確性，除了輻射模型的問題還要保證吸收系數(shù)的逡逑準(zhǔn)確計(jì)算。Ｆｌｕｅｎｔ提供了內(nèi)部的ＷＳＧＧＭ模型，但通過算例驗(yàn)證，其不適合我逡逑們現(xiàn)在計(jì)算的問題，故我們先由ＲＡＤＣＡＬ模型［５８］得到不同溫度條件下的二氧化逡逑１２逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V430

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4 古浜莊一;i幈玖薊

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