离心式喷嘴的CFD仿真
地震带上的人
月都喷气,中国 四川省 成都市

首先,老规矩铃仙镇楼

 

[修改于 4 个月前 - 2019-05-22 04:59:18]

来自 喷气推进
2019-5-22 03:48:44
地震带上的人(作者)
1楼

此次模拟为2000N液氧——煤油发动机的母项目。

离心式喷注器的原理和理论由上世纪四十年代由苏联中央流体动力研究所研究员阿勃拉莫维奇提出,并在苏联的各液体火箭发动机上广泛应用。其原理是借助离心力的作用,将流体雾化。该喷嘴可分为:1.切向孔 2.旋流器 ,由于旋流器式的离心式喷嘴制较为复杂,所以本次仿真采用的是切向孔离心式喷嘴。

切线孔式离心喷嘴结构如下:

 由旋流室、切线孔、喷嘴组成,其中流体按照以下方式流动:由于压降作用,推进剂从切线孔进入旋流室,沿着旋流室壁面进行旋转,流向中心喷口,在喷嘴出口由于离心力的作用,会让液流形成伞状的液膜,后液膜破碎达到雾化效果。


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地震带上的人(作者)
2楼

其优点如下:

1.喷注单元在保证大质量流量的情况下,能保证按正常工况工作。单个喷嘴的质量流量为30-300g/s,如果是同心双组元的离心喷嘴,质量流量可到达400-600g/s甚至更高。

然而直流式喷注器要达到相同规模的喷注效果,需要增加喷注孔的数目,直接影响了喷注面板的大小:例如美国 F-1 ;直接影响了发动机燃烧室的直径,导致更容易出现燃烧不稳定的情况;以及喷注面板需要更额外注意热防护(指涡流)的影响。

(也许会有人问增大喷注孔直径行不行?答案是在一定范围内是可行的,但是根据《液体火箭发动机设计》这本书指出,大于2.5mm后喷注效果会变差)

2.相对的能够简化发动机的头部设计,不需要开槽和打斜向孔等过多繁琐的加工过程。

但是缺点如下:

1.不适合小推力发动机工作,目前按照设计参数2000N是符合离心式喷注器的最小值;且使用离心式喷注器会直接增加小型发动机的燃烧室直径。(小型发动机燃烧室直径不大,局部范围内可以视为可以完全混合完全燃烧的情况。使用直流对撞式喷注器满足其需求)、

2.雾化程度直流式比离心式更加充分,直流式为200-500微米,然而离心式为25-250微米。

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地震带上的人(作者)
3楼

喷嘴的设计于4月初步完成,随后进行CFD软件模拟其流场计算。CFD软件模拟,在流体力学或研究流体运动中,是很常用的手段,其原理为使用经验模型以及函数,模拟流体在限定流场内的流动情况,使用CFD模拟能够大大节省研发时间和资金。如果按照原来的设计思路是直接冷流实验的。如果需要调整流场参数会极其麻烦而且耗时间。

本次实验基于ANSYS Fluent 18.2软件,使用 UG 10.0 进行建模,使用ANSYS Mesh 软件建立网格,网格为四面体非结构性网格。

CFD软件采用模型:

1.使用RNG k-e 湍流模型,开启旋流模型;

2.使用VOF模型(多相流模型,多相流,即为气态和液态 固态和液态 固态和气态 等之间的流动模型),开启流体隐性作用力模型,开启液体表面张力模型并且设置表面张力;

这里说一下什么是湍流模型:湍流模型是指在工程中和研究过程中的大量实验中所得出所总结出的经验模型

工作参数的设定:

1.液氧喷嘴:

考虑到液氧的低温和容易汽化的特性,这里我们简化计算,使用水来进行模拟工况(为什么?是因为要考虑到相变和空化模型,如果这些模型都参考进去了,1.容易浮点溢出,即网格质量不佳,改网格会增加计算机的运算量(这次计算的网格已经有80万左右);2.由于液氧容易汽化的特点,若模型带错,计算可能与实际情况会有出入,笔者决定液氧喷嘴如果在介质为水的情况下满足设计需求,后逐步进行液氧的冷流实验)

1)流量质量:0.12kg/s 

2)介质:水和空气 

3)压力:1MPa

4)  设计雾化角度:90°

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地震带上的人(作者)
4楼

模型如下:

 可见上CAD工图,模型为流道图:环形为集液环,三个切线孔,一个旋流室,最大的部分是流场模型

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地震带上的人(作者)
5楼

此次实验做了一些调整:在切线孔长径比小于2时候,流体将不沿着切线方向进入旋流室;于是便做了一个1.5的模型,和一个为2.5的模型

效果图如下:

 可以看出,切线孔长径比小于2的情况时候,流体是偏流的,所带来的结果就是喷注器无法正常雾化;

可以看工作的极为糟糕,毫无工作效果可言。

改进措施为增加旋流器管道外部直径,即增加切线孔的长径比;

如下,在切线孔长径比为2.5时候,流体沿着旋流室进行贴壁旋流运动:

 

 相机拍的(饶老师看了要打人)

 

 这是进行8000次迭算时候的图像,可以看到使用流场线表示出来的流体沿着壁面进行旋流,然后从喷嘴喷出

 15000次迭算结果,这是速度查场分布,可以看出内部生成了一个气柱,以及下面的气锥。这是离心式喷嘴正常工作的标志之一,CFD模拟出的结果很让我满意,接下来将会在暑期进行制造和冷流测试,如果笔者速度够快有可能会进行试车


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地震带上的人(作者)
6楼

2.燃料喷嘴

1)质量流量:0.04kg/s

2)介质:煤油和空气

3)压力:1MPa

4)喷注角度:90°

模型如下:

 由切线孔、旋流室和下部的流场组成

模拟效果如下:

 由于笔者有误,流场设计过小,导致了以下的效果;但是已经足以看出该喷注单元是正常工作的了。

 更新一下,这是流场正确设置后的流体速度图


[修改于 4 个月前 - 2019-05-22 19:39:44]

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地震带上的人(作者)
7楼

总结:

1.在火箭发动机设计过程中,使用CFD软件模拟能够较为准确的模拟流体在流场中的流动情况,是值得推广的;

2.首次进行离心式喷注器的设计且设计合理,各项参数符合设计要求,将会进行接下来的冷流实验(得等到笔者回国);

3.RNG k-e 和VOF 模型适合模拟火箭发动机的喷注器的工作情况。


谢谢各位阅读

                                                                                                                                                                 地震带上的人

                                                                                                                                                                    2019.5.21




参考文献:

1.https://wenku.baidu.com/view/0810341554270722192e453610661ed9ad515549  《旋流式喷嘴内流场的数值模拟》 徐刚 上海交通大学

2.https://www.ixueshu.com/document/423370afbec6a0cc318947a18e7f9386.html 《基于VOF方法模拟离心式喷嘴内部流动过程》刘娟等 国防科技大学 航天材料工程学院

3.https://www.ixueshu.com/document/00c58cde620f348e.html 《基于VOF方法数值模拟离心式喷嘴内两相流流动》王成军等 东北大学 材料与冶金学院

[修改于 4 个月前 - 2019-05-22 19:36:54]

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8楼

赞扬。

总结中说,“……使用CFD……能够较为准确的模拟流体在流场中的流动情况,是值得推广的”

正文中没有参考标准或实测数据作为对照,如何得出“准确”的结论的,实际上谁也不知道您仿出来的结果是不是对的。关于CFD仿真,这个不是推广的问题,几乎是必须的。

后面说“设计合理”,“符合要求”,然而全文没有找到设计目标或者设计要求,符合的是什么要求呢。关于设计合理,也没有评判标准。得不到支撑或者主观性较强的观点结论通常来说尽量少出现在文章中。

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地震带上的人(作者)
9楼

@虎哥 目前看来评判设计成功的标准只能对比参考文献的数据和图像,具体的要等六月的冷流测试

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2019-6-30 11:49:56
2019-6-30 11:49:56
10楼

一般来说,CFD判断方程是否收敛,指标可以用 

1、k-e的残差(日常使用,趋势是收敛的就行,到10E-3就行了)

2、流量入口出口的imbalance,肯定也得收敛才行。



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