单喷嘴火箭发动机高频燃烧不稳定的RANS和SBES数值模拟

为了研究不同湍流模型对高频燃烧不稳定的捕捉能力,采用非稳态雷诺时均(Unsteady Reynolds averaged Navier-Stockes,URANS)和应力混合涡模拟(Stress-blended eddy simulation,SBES),开展了单喷嘴模型火箭发动机数值仿真。化学反应与湍流的相互作用采用基于详细化学反应机理(GRI Mech 3.0)的小火焰生成流模型(Flamelet-generated manifolds,FGM)。对比试验数据,验证了模型的准确性;全面对比了URANS和SBES仿真结果;分析了燃烧室的压力波模态特性和流场动态特性。发现两者都能捕捉到高频燃烧不稳定,但URANS对动态特性的捕捉明显不足,压力振荡峰峰值与试验值相比误差高达57.6%。而SBES对包含涡脱落、湍流混合、压力波的传播等动态特性能够实现较好的捕捉,压力振荡峰峰值与试验值误差仅为7.6%。URANS结果表现出高度的对称性,而SBES结果则更加合理。燃烧室和氧管的压力振荡相互耦合,引起推进剂质量流量脉动和燃烧室突扩面周期性涡脱落。涡脱落及其与燃烧室壁面的相互作用增强了脉动释热,是维持燃烧不稳定的关键。