导流槽是发射场设备中关系发射安全的重要环节。其功能是将火箭一级发动机高温、高速燃气射流迅速、通畅地导向远离发射台的地方，防止冲击波正面反射、燃气射流回卷及燃气射流冲向地面造成溅起物，危及火箭、航天器和地面设施的安全。

1. 确定问题的区域，建立几何模型

确定所分析问题的明确范围，将问题的边界定在边界条件已知的位置。如果不知道精确的边界而必须做假定，要将分析的边界设在远离研究重点关注的区域，不要将边界设在求解变量变化梯度大的位置。如有必要，可先做试探性分析，再根据结果来修改分析区域。在本问题中，重点研究火箭热发射过程中燃气射流在导流槽内流场分布以及其造成的发射环境热、力学效应，所涉及的区域是导流槽及其出入口附近充满气体的空间，可以根据导流槽方案建立几何模型。发射井模型如图5.2（a）所示。导流面设计了圆锥形和楔形两种方案，导流面母线采用了相同的线型，如图5.2（b）所示。燃气排导流场的计算区域包括火箭发动机喷管、导流槽以及中间发射台区域。

图5.1　导流槽截面位置示意图

图5.2　发射井模型及导流面母线和方案

（a）发射井模型；（b）导流面母线和方案

2. 生成有限元网格

计算域的网格划分如图5.3 所示。针对超声速燃气射流场的物理区域和计算区域特点，需要遵循以下一些网格划分的准则：在发动机喷管出口和壁面处进行适当的网格加密；喷管出口处进行适当调整，使网格尽量正交；导流面承受燃气的直接冲刷，激波近区燃气参数变化剧烈，因此相应提高了这些位置的网格密度；在流速较低的水平段和折流段位置网格较粗。导流面上的网格尽量和燃气流动方向一致，从而减少数值上的耗散误差。

图5.3　计算域的网格划分(www.daowen.com)

（a）发动机出口附近壁面网格示意图；（b）导流槽模型网格划分示意图

发动机燃烧室为压力入口边界，给定总温、总压以及相应的湍流边界条件；出口边界为火箭周围空间和亚声速的导流槽折流段出口，给定出口压力为大气压力，其他出口边界参数由外推得到；发动机及导流槽壁面均取无滑移绝热条件。新一代运载火箭一级发动机出口参数见表5.2。

表5.2　新一代运载火箭一级发动机出口参数

为便于数值仿真计算并保证计算精度，因此对模型做以下假设。

由于导流槽壁面和火箭箭体对导流槽内部流场的影响非常小，假设导流槽壁以及火箭箭体为刚体。

发动机内部的化学反应过程对燃气射流场影响较小，假设射流起始处为发动机燃烧室出口，给定总温、总压参数。

假设离开喷口的射流已经发生完全的化学反应。

计算中空气以及燃气处理为理想流体。一般来说，当气体压力小于20 MPa、温度大于1 400 K，可认为是理想气体。

3. 设置模拟类型和主参数

在进行模拟前，还要确定所模拟的问题流态方程，对于火箭发动机喷管燃气射流，为高温高速湍流模型，计算中采用标准k−ε 湍流模型进行模拟。

在考核导流槽冲击烧蚀性能和通畅性的仿真计算中，瞬时的高温、高压对导流槽耐火材料状态产生的影响较小，短时间内微弱回流也无法影响正常发射，重点关注的是燃气射流流场稳定以后的冲击烧蚀特性评价考核参数以及通畅性评价考核参数。因此，计算采用定常方法，一方面可以提高计算效率；另一方面定常计算对网格的要求低于非定常计算，可以有效节约计算资源。