锥形喷管羽流计算

在喷管流动中,喉道处空气稠密,流场接近连续流;出口处较为稀薄,流场接近自由分子流。这是一个在同一流场中包含从连续到稀薄的状态的例子。基于Rothe D E的实验结果,Chung C H等人用DSMC方法对锥形喷管进行数值计算,得到沿对称轴及截面上的压力、密度分布。

计算条件取为:压力室静压=473Pa,静温=300K,速度=17m/s。

1. 几何模型与计算条件

采用张角为15度的扇形计算域,多块全结构化网格,计算网格量159570,网格分块数目为7,计算域容积为 。据此算得每一个模拟分子所代表的真实分子的数目上限(喷管出口)为 ,实际取为 ,时间步长下限为 ,实际取为 。计算步数为40000步。边界条件设置具体见下图,其中,Axis边界取为对称,尖点处取了有限截断以避免网格的奇异性。

2 流场计算

Hi-Flowrarefied软件对喷管外形进行有粘计算(16万结构网格,8核并行计算),耗时2小时左右。

与文献结果相比,密度与马赫数等值线分布符合,沿喷管对称轴/轴向界面内的温度、密度曲线符合良好,误差低于<10%。