流固耦合分析火箭發射器噴嘴的行為

士盟科技-部落格圖片

過去30年來,太空梭發射任務的成功與否仰賴於主引擎(以下稱為SSMEs),自從2011年NASA終止太空梭任務,SSMEs有了新的工作,成為NASA太空發射系統計畫的一部分。 對火箭引擎來說,噴嘴占了大部分的重量。在發射升空的初始階段,正確預測噴嘴的荷載,將有助於最佳化噴嘴的結構,以較輕的重量提供可靠的性能表現。噴嘴在點火之後的兩秒,開始移動,形狀改變,流經這些噴嘴的強大熱氣流,與內壁分離、移動到噴嘴內部的其他位置,且隨著環向位置而變。這會造成不平衡力,稱為側負載,噴嘴因此從圓形變成橢圓,最大的形變量可達數英寸。

此熱固流多物理場的耦合效應下,足以影響整組引擎的完整性與輸出。 專精於車輛與火箭引擎的ATA工程公司採用一套全面性的流固耦合動態分析方法。運用SIMULIA協同分析引擎(CSE),連結Abaqus有限元素求解器以及密西根州立大學開發的CHEM計算流體力學軟體。有限元素模型部分,包含引擎萬向接頭,多向驅動器,噴嘴內的加勁結構以及噴嘴本身;CFD的模型以單一氣體來代表火箭燃料氫氧混合的特性。流固耦合的分析流程:先以CHEM計算火箭推力,將此結果轉到Abaqus,進行結構分析,再將結構的位移量反饋到CHEM,重複上述動作。

為了得到噴嘴的動態行為,先分析SSME點火時的噴嘴形狀,再依此結果接續得到噴嘴的變形量以及側負載。分析結果顯示,結構低頻反應與早先實驗觀察到的行為一致。

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