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积鼎商用航空流体仿真解决方案

CFD在航天领域应用,主要包括液体火箭发动机和固体火箭发动机的研发设计过程中,涉及到气动、传热、燃料的雾化与燃烧、关键部件的冷却等方面。
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iconCFD在航天方面的应用icon
 
 
CFD在航天领域应用,主要包括液体火箭发动机和固体火箭发动机的研发设计过程中,涉及到气动、传热、燃料的雾化与燃烧、关键部件的冷却等方面。
由于航天设备具有试验费用高,测试的难度大,周期长等特点,利用CFD模拟,可以有效的缩短研发周期,减少试验费用同时可以对火箭运行过程的机理有更深入的认识。

 

iconVirtualFlow在航天领域的解决方案icon

VirtualFlow软件作为一款先进的计算流体仿真软件,其完备的流体力学数值计算功能,渗透到航天CFD研究与应用的各个领域,主要包括:

液体火箭发动机
· 燃料的雾化 
 · 燃料的燃烧
固体火箭发动机
· 燃面退移
· 柔性喷管
航天器热管理
· 热管相变冷却
· 设备散热

 

icon液体火箭发动机icon
 
液体火箭发动机不同于航空发动机的工作原理其自带氧化剂,由涡轮泵部件对氧化剂和燃料进行加压,涉及流动、多相流、相变、传热传质、化学反应、组分输运等多个物理化学过程,很难准确捕捉燃烧细节。由于液体火箭发动机燃烧温度高于3500K,冷却问题和烧蚀问题也成为行业关注的重点问题。

 

icon液体火箭发动机 - 互击式燃料喷射雾化icon
仿真工作意义:采用LES湍流模型、结合VOF/Levelse界面流方法计算燃料与氧化剂对撞发生雾化的现象,研究液膜到液丝、液丝到液滴的雾化规律。
VirtualFlow 技术优势:
· 高精度界面追踪多相流模型,能高保真的还原雾化过程;
· 高精度湍流模型,能准确计算液滴的受力情况;
· 便捷的雾化特性后处理流程。

 

 

icon液体火箭发动机 - 燃油横风雾化icon

 

 
仿真工作意义:采用LES/VLES湍流模型、结合VOFevel-set界面流方法,计算液柱在横向吹风作用下的雾化过程,捕捉
液滴与空气的分界面,研究液滴的破碎规律以及运动轨迹。
 
VirtualFlow 技术优势:
· 高精度界面追踪多相流模型
· 高精度湍流模型
· 便捷的雾化特性后处理流程。
 

 

icon液体火箭发动机 - 离心式喷嘴燃油雾化icon

仿真工作的意义:燃料雾化与离心喷嘴的设计密切相关,雾化效果的试验检测不仅复杂而且难度高。Virtualflow利用欧拉拉格朗日方法,结合一次和二次雾化模型,可以对离心喷嘴雾化进行模拟,分析燃料破碎过程、不同截面处液滴的雾化粒度、速度以及液滴在空间的分布。

 
VirtualFlow 技术优势:
· 成熟的拉格朗日粒子追踪模型
· 丰富的工程雾化模型(针对不同We数)
· 高精度湍流模型
· 并行计算效率高

 

 

icon液体火箭发动机 - 离心式喷嘴燃油雾化icon
LISA一次雾化模型
LISA模型针对离心雾化构型设计,分为入射模型和破碎模型。其中入射模型利用伪液滴包模拟液膜-液丝-大液滴的破碎过程。首次破碎后的液滴包的粒径,满足RR分布。
KHRT二次雾化模型
KHRT雾化模型模拟大液滴破小液滴的过程,与一次雾化模型WAVE配合,可以模拟完整的直喷式射流雾化过程;与一次雾化模型RR、LISA配合,可以模拟完整的离心式雾化过程。

 

 

icon液体火箭发动机 - 喷雾燃烧icon

仿真工作的意义:通过湍流模型、液膜流动传热与蒸发模型、多孔介质模型以及燃烧模型,可实现燃烧室内冷态、流动、点火、燃烧全过程的仿真分析;通过Cantera数据接口以实现复杂化学动力学计算。此外,利用LES方法获取火焰传递函数,t确定燃烧室内声压分布和特征频率。可研究热释放大小对特征频率和声学增益的影响,给出燃烧模式和燃烧室结构的调整方案。。

 
燃烧计算步骤
1、采用以Lagrange方法求解的喷雾计算结果为初始条件,采用蒸发模型计算液滴蒸发。
2、基于Euler法求解其气相湍流燃烧过程:湍流流动采用湍流模型模化,基于反应动力学计算模块求解燃烧化学反应,采用湍流燃烧模型描述湍流/化学反应间的相互作用。

 

icon液体火箭发动机 - 喷雾燃烧icon
VirtualFlow 技术优势 :
· 成熟的拉格朗日粒子追踪模型
· 耦合液滴二次雾化与蒸发模型
· 高精度湍流模型
· 并行计算效率高

燃烧室压力误差在5%以内
壁面温度误差15%左右
icon固体火箭发动机icon
 
固体火箭发动机采用固体推进剂作为燃料,由点火装置点燃点火药柱后进行燃烧,虽然不需要进行燃料雾化过程,但需分析固体燃料的燃面变化以及固体颗粒的运动,同样涉及流动、多相流、相变、传热传质、化学反应、组分输运等多个物理化学过程,很难准确捕捉燃烧细节,且由于固体火箭发动机燃烧温度高于3500K,冷却问题和烧蚀问题也成为行业关注的重点问题。

 

icon固体火箭发动机 - 燃面退移icon
 
 
仿真工作的意义:传统内流场计算方法中计算边界是固定的,给定的燃烧面与实际情况不吻合。利用VirtualFlow的IST网格,结合共轭换热方法以及Levelset界面捕捉方法,实现装药燃面退移和三维流场耦合计算,精确的跟踪运动燃面。

VirtualFlow 技术优势:
· 高效的IST网格技术,模拟动边界,无需动网格
· 高精度的Level Set方法捕捉燃烧面
· 高精度湍流模型,计算复杂流场
· 并行计算效率高

 

icon固体火箭发动机 - 燃面退移icon

当气流速度 v 大于侵蚀燃烧界限速度vth时,会产生侵蚀燃烧效应,使得装药的燃速增大,燃气生成率也随之增大,导致燃烧室中的燃气压强升高。燃速与压强和气流速度有关:

 

 

icon固体火箭发动机 - 柔性喷管icon
仿真工作的意义:VirtualFlow可以计算从亚声速和超声速流动利用IST网格可以高效的模拟运动边界。

VirtualFlow 技术优势:
· 高效的IST网格技术,模拟动边界,无需动网格
· 高精度湍流模型,计算复杂流场
· 并行计算效率高

 

 

icon航天器热管理icon

 

热管理背景:
1、空间飞行器在飞行过程中,由于速度非常快,前缘会与大气剧烈摩擦产生气动热,气动热聚集会将材料烧毁。热管依靠管内工质汽液相变过程实现热量传递具有传热性能强、等温性好、非能动运行、寿命长以及成本低等特点,其高效散热对确保飞行器的安全。
2、航天器内部的发热设备(如芯片、电机、电池)在狭小空间内产生大量的热量如果不及时带走,会导致设备的温度急剧升高,从而影响设备的寿命和性能。
 

 

icon航天器热管理 - 热管相变冷却icon

仿真工作的意义:热管相变传热的物理过程复杂,涉及两相流动、换热、传质等现象,为时间与空间多尺度两相流形态。Virtualflow软件采用高效的Lee模型进行蒸发、冷凝现象的计算,多相流模型采用均相模型,可以模拟相变热管的热传递全过程。

 
VirtualFlow 技术优势:
· 成熟的均相模型
· 高效的Lee模型用于蒸发与冷凝的计算,
· 考虑了壁面滴状冷凝和膜状冷凝,
· 对于吸液芯考虑了毛细力以及多孔介质阻力
· 并行计算效率高。
 
 
icon航天器热管理 - 热管相变冷却icon

 

 

 

icon航天器热管理 - 航天器舱内设备散热icon

 

 
仿真工作的意义:
利用IST网格,Virtualflow可以快速的计算共轭换热包括对流、传导以及辐射等多种换热方式的耦合。
 
VirtualFlow 技术优势:
· IST网格计算适合共轭换热计算;
· 利用UDF可以自定义不同方向的导热率;
· 并行计算效率高。

 

 

 

 

 

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