FLUENT软件在固体火箭发动机内流场计算中的应用前景

中国兵工学会火箭导弹专业委员会第十一次学术会议FLUENT软件在固体火箭发动机内流场计算中的应用前景方玉琪魏志军（北京理工大学机电工程学院，北京100081）摘要FLUENT作为一个商用软件，它在一般工程技术中具有极高的应用价值。

本文首先对FLUENT软件进行了一些基本的介绍，然后结合固体火箭发动机内流场数值模拟中遇到的问题，分析了软件中的所采取的一些相应的措施，发现FLUENT能较好的满足固体火箭发动机内流场的数值模拟，在以后的内流场数值模拟中具有较好的应用前景。

主题词固体火箭发动机，内流场，数值模拟，湍流模型，边界条件1 引言近年来，随着计算机技术和计算方法的不断进步，固体火箭发动机内流场数值模拟的工作越来越受到重视。

在以往的研究中，由于受数值计算水平的制约，人为的将固体火箭发动机燃烧室和喷管中的流场分开计算，从而不能真实反映装药几何形状对喷管流场的影响。

分开计算的模式割裂了二者的有机联系，为了统一计算，首先就要生成一体化的网格。

在固体火箭发动机内流场计数值模拟中，还要考虑两相流动、传热、燃烧、辐射等诸多问题。

目前，通常的做法是将流动和燃烧、传热等分开考虑,以简化燃烧室内流场研究的数学模型。

但是燃气的流动仍然涉及到两相、湍流和化学反应，而且由于三维药柱和潜入喷管的应用，使几何边界和初始边界条件难以确定，再加上药柱燃烧造成了边界移动，使问题更趋复杂。

那么，能不能找到一种方法或者软件对其进行综合分析考虑呢？在目前的几种计算软件中，FLUENT作为一种用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序，能够很好的满足数值模拟的要求，具有较好的应用前景。

2 FLUENT软件简介FLUENT的软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，不同领域的计算软件组合起来，成为CFD软件群。

针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度，稳定性和精度等各方面达到最佳，从而高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题。

这些不同软件都可以计算流场、传热和化学反应，在各软件之间可以方便地进行数值交换。

各种软件采用统一的前后端处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

FLUENT 提供了完全的网格灵活性，可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。

甚至可以用混合型非结构网格。

它采用C语言编写，具有很大的灵活性与能力，因此动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控―169―FLUENT 软件在固体火箭发动机内流场计算中的应用前景 方玉琪 魏志军 ―170―制都是可能的。

除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT 使用client/server 结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。

FLUENT 软件还推出了多种优化的物理模型，如：定常和非定常流动；层流（包括各种非牛顿流模型）；紊流（包括最先进的紊流模型）；不可压缩和可压缩流动；传热；化学反应等等，对每一种物理问题的流动特点都有适合它的数值解法。

3 FLUENT 在固体火箭发动机内流场计算中的应用前景固体火箭发动机的实际工作过程极为复杂，交织着多种物理和化学过程。

所包含的主要物理化学过程有：固体推进剂燃烧化学反应，燃气和凝相颗粒组成的两相多组分混合物流动，湍流流动，从燃烧室内的亚音速到喷管出口的超音速经历的跨音速流动，燃烧产物的质量加入，燃面侵蚀燃烧，热传导，对流和辐射换热，壳体内壁与喷管内壁的烧蚀，燃烧表面移动等。

由于工作过程的复杂性，它的数值模拟也相应的显得较为复杂。

现在分别就数值模拟中主要考虑的几个问题，对照FLUENT 中所具有的功能，进行它的应用前景分析。

3.1 湍流模型固体火箭发动机燃烧室内燃气的实际流动过程是一个多组分、有化学反应、有辐射换热、有粒子沉积的三维两相加质非定常湍流运动，因此，在对燃气的流动过程建模的时候，我们需要选择湍流模型来模拟内流场的流动。

湍流出现在速度变动的地方，这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。

由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在计算时直接模拟的话对计算机的要求会很高。

实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的，或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机。

但是，修改后的方程可能包含有我们所不知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量。

在数值模拟过程中，我们一般选用RNG εκ- 模型[1]。

RNG εκ- 模型是从暂态N-S 方程中推出的，使用了一种叫“renormalization group”的数学方法，解析性是由它直接从标准εκ- 模型变来。

RNG 和标准的εκ- 模型相比，增加了一些湍流粘度的修正系数，使其对瞬变流和流线弯曲的影响能做出更好的反应,这也是选用RNG εκ-湍流模型的原因。

在FLUENT 软件中，提供的湍流模型有三类：Spalart-Allmaras 模型、εκ-模型和ωκ-模型。

其中，在εκ-模型里面包含有RNG εκ-湍流模型。

在用FLUENT 进行计算时，首先要激活相应模型和选项，并提供边界条件。

首先在图形框中点选Define/Model/Viscous ，在弹出的Viscous Model 面板里面的Model 框中选择RNG εκ-模型进行激活，然后在Define/Boundary Conditions 中设置边界条件，接着在Solve/Initialize 中进行求解变量的初始化，这样就完成了FLUENT 对湍流模型的激活及初始化处理。

因此，用FLUENT 可以解决固体火箭发动机内流场湍流模型的问题。

3.2 两相流体模型在固体火箭发动机燃烧室内，推进剂是一个重要的组成部分，它的品质的好坏直接影响到内流场的各种数据。

为了提高固体火箭发动机推进剂的能量、密度及抑制某些频率的不稳定燃烧，现在广泛采用的是含铝粉的推进剂。

铝粉燃烧后会生成大量的AL 2O 3颗粒，它在燃烧室内呈液态，在喷管喉部开始逐渐由液态转变为固态。

两相流动的研究在整个固体火箭技术中占有很重要的地位，它涉及到性能损失、喷管设计、两相烧蚀、不稳定燃烧、流动机理FLUENT软件在固体火箭发动机内流场计算中的应用前景方玉琪魏志军及数学处理等各方面。

因此对固体火箭发动机内流场进行数值模拟的时候，必须要注意到从燃烧室内的气－液两相流动到喷管下游的气－固两相流动的转化过程。

在FLUENT中，多相流模型有三种：VOF模型、混合模型和欧拉模型。

结合固体火箭发动机内流场的实际情况以及三种模型的各自的局限性，欧拉模型能够满足对内流场两相流动的数值模拟。

首先选定欧拉模型，从材料库中复制描述每相的材料，定义相，然后指定边界条件（包括第二相体积份额在流动边界和壁面上的接触角），设置模拟具体的解参数，初始化解和为第二相设定初始体积份额，最后就可以求解了。

因此，用FLUENT模拟固体火箭发动机内流场两相流动也是可行的。

3.3 边界条件在对固体火箭发动机进行数值模拟时，为了使燃烧流动过程的方程组能够用数值方法求解，必须给定相应的边界条件和初始条件，并且边界条件和初始条件的给定合理与否将直接影响方程组解的收敛性和正确性。

固体火箭发动机内流场计算的边界条件一般包括[2]：燃气边界条件（包括推进剂的燃烧表面边界条件、壳体壁面边界条件、对称平面边界条件和开口边界条件）、压力校正方程的边界条件和气相热辐射边界条件（包括对称平面辐射边界条件、非反射边界条件和固体壁面边界条件）。

当实际计算网格的边界和非规则物理边界不吻合时，一般需要对边界条件进行特殊处理，它包括：大值修正、相关系数置零、附加源项。

边界条件也是FLUENT分析中关键的一部分。

它的边界条件分三类：进出口边界条件：压力、速度、质量进口、进风口、进气扇、压力出口、压力远场边界条件、质量出口、通风口、排气扇；壁面，对称，周期，轴；内部单元区域：流体、固体（多孔是一种流动区域类型）；内部表面边界：风扇、散热器、多孔跳跃、壁面、内部。

对照固体火箭发动机内流场数值模拟需要的边界条件和软件所能提供的边界条件设定可以看出：FLUENT能够完成内流场数值模拟设定边界条件的要求。

3.4 热辐射模型在固体火箭发动机的高温高压燃烧室中，燃气的热辐射作用是很强的，远远高于一般的燃烧室，因此有必要在进行内流场数值模拟时考虑燃气的热辐射作用。

目前建立热辐射模型所采用的方法是热流法。

热流法计算火焰辐射换热的基本原则是把微元体界面上复杂的半球空间热辐射简化为垂直于此界面的均匀辐射热流，然后用通用的类似于其他流动参量的输运微分方程进行求解。

这样处理的优点是把复杂的热辐射计算的微粉积分项都处理成微分项并写成通用的二阶常微分方程，使问题得到很大程度的简化，计算量也明显减少。

其计算结果与实测值比较接近。

在FLUENT软件中，有专门的热辐射模型。

具体操作如下：在初始界面下，点击Define/Models/Radiation，弹出Radiation Model panel面板，在里面选定所选模型，然后将扩展的相应的设定参数设置即可。

3.5 计算网格的生成随着固体火箭发动机技术的发展和性能的提高，药柱设计越来越复杂，使得发动机内流场的物理域形状变得也非常复杂，采用传统的单一贴体结构网格难以反映真实的流动机理，因此有必要选用具有自适应的计算网格。

自适应网格技术是在数值计算中，根据物理参数的分布和变化情况，在总网点数不变的情况下，自动调整计算网格疏密分布的一种方法。

它可以起到提高计算精度、加快收敛速度、反应参数梯度变化特征等作用。

同时，在研究固体火箭发动机内流场的网格生成时，还要注意到固体推进剂表面燃烧推移这个特点，因此计算网―171―FLUENT软件在固体火箭发动机内流场计算中的应用前景方玉琪魏志军格要具有随着边界的扩张，网格点数增加的能力。

FLUENT中自适应网格完善特征允许我们根据数据计算结果来修改网格梳密布置或网格走向，还提供了创建和查看特定应用的自适应方法。

它的网格自适应过程可以分为两个重要部分。

首先，根据在几何和计算数据基础上建立的自适应函数来确定网格的优劣。

接着，对网格进行改造以达到“优化”网格的要求。

这种调整网格方法的主要的优点是可以建立成熟的自适应函数并且可以在没有改变已存在网格的条件下来实现多种自适应函数。

同时，FLUENT还具有边界自适应功能。

因此，软件对固体火箭发动机内流场数值模拟计算网格的生成也能较好的完成。

3.6 FLUENT的后处理FLUENT软件能高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题，除此之外，还具有强大的后处理功能。