并联四喷管发动机流场结构形态及CFD计算
本文源自NASA MSFC公开资料
M. Mehta, F. Canabal, et al., Base heatingsensitivity study for a 4-cluster rocket motor configuration in supersonicfreestream, 2011 NASA Thermal and Fluids Analysis Workshop.
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并联四喷管发动机流场结构复杂性
火箭从地面起飞，升至太空的过程中，火箭发动机环境的大气压力随着其飞行高度而发生变化。在不同的海拔高度下，由于大气压力的不同，火箭发动机喷管喷出的高温、高速燃气流的形态也极不相同。与此同时，收到多喷管结构外形的影响，发动机喷管之间的流动与喷流流动相互耦合，形成十分复杂的流场形态。这些形态主要有：
附着流（Attached Flow）
分离流（Separated Flow）
旋转流（Rotational Flow）
边界层流（Boundary Layer Flow）
尾流（Wake Flow）
激波/激波相互作用（Shock/Shock Interaction）
激波/边界层相互作用（Shock/Boundary Layer Interaction）
多体粘性相互作用（Multi-body Viscous Interaction）
在这些流场结构中，对于火箭发动机喷管以及喷管附近的结构而言，最为关注的为四种流动状态，即：
1. 上升羽流（Updraft Plume）
2. 抽吸射流（Aspirating Jet）
3. 回流区（Recirculation Zones）
4. 喷管壁面之间的射流（Wall Jet）
这几种流动结构的形成、形态以及动力学行为与火箭发动机结构形式、周围环境气压息息相关。
较低海拔
在较低海拔高度状态时，环境气压相对较高。受到外部流场压力的影响，火箭发动机羽流喷流被压缩在较小的空间内，即羽流的膨胀性较小。由于羽流较小的膨胀性，在其略微（或小范围）膨胀状态下，多级并联火箭发动机羽流之间不会出现相互干扰、相互作用的情况。由于抽吸作用，多个喷管喷出的羽流之间会把环境中的冷空气吸入，高温的羽流犹如被包覆在冷空气中一般。与此同时，发动机喷管之间也因这一类抽吸作用的影响而吸入周围环境的冷空气，呈现喷管壁面之间抽吸射流流动区域。
较高海拔
在较高海拔高度状态时，环境气压相对较低。较低的环境气压是的火箭发动机羽流喷流被约束限制力较弱，呈现较大的膨胀性，尤其是在展向平面上。高膨胀性使得多级并联火箭发动机喷流羽流之间相互交织、相互作用。在羽流与羽流之间的交接面上形成激波界面。激波界面使得多级并联喷管中心区域形成上升预留（Updraft Plume）。
更高海拔
在更高的海拔高度状态时（一般在110kft海拔高度以上），体积剧烈膨胀后的羽流能够阻止周围环境空气被吸入发动机喷管区域，形成阻塞流（Choked Flow）。
采用CFD技术对并联发动机喷流羽流进行计算分析首先需要能够在计算结果中呈现出这些复杂的物理流动状态。
图1 多级并联喷管羽流复杂流动状态
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采用CFD技术对流场结构进行模拟
计算几何结构如图2所示：
图2 计算几何结构
计算软件：
1 | 前处理：SolidMesh软件； |
2 | 边界层网格生成：AFLR3软件； |
3 | CFD求解器：Loci-CHEM |
4 | 部分工程算法程序：RAMP2-BLIMPJ |
5 | 后处理：Ensight软件及MATLAB代码 |
计算量：
1 | 3000万左右高质量非结构网格（如图3所示） |
2 | 在发动机喉部、边界层区域加密网格 |
3 | 高精度计算模型 |
图3 计算网格结构
在低海拔高度和高海拔高度状态下，流场结构如图4~图6所示。
图4 低海拔和高海拔状态下整体流场结构对比
图5 低海拔状态下流场结构及马赫数分布云图
图6 高海拔状态下流场结构及马赫数分布云图
