前言

運載火箭發射時，噴流噪聲聲壓往往超過170dB，而此時火箭上升速度低，高量級噪聲的聲波會通過發射平臺反射至箭體結構、發動機外殼等部位，產生額外的動能，從而引起結構損壞，為確保運載火箭、發射系統安全，各國均在大力研發各類噴流噪聲控制技術。

噪聲40-60 dB相當于室內談話，60-70 dB有損神經，當噪聲達到120 dB以上時，相當于一架波音747飛機從身邊飛過，耳朵開始疼痛。

30年前，美國、蘇聯發展的發射噴水降噪技術是目前公認的行之有效的噴流噪聲抑制技術，很多國家航天部門均已在推廣并研發適合各自發射技術特點的噴水降噪技術，例如，美國肯尼迪航天中心的發射臺，噴水后能使噪聲在原有基礎上減弱40dB左右。

圖1 美國肯尼迪航天中心39號發射臺進行噴水試驗

圖2 美國NASA最新火箭發射平臺進行噴水試驗

此外，火箭發射時尾焰直沖發射平臺，發射平臺瞬間升溫，溫度接近3000攝氏度，噴水時水將汽化到大氣中，帶走大量的熱，從而起到降溫作用，以保護發射平臺。

但是，在火箭發射噴水降溫降燥時，水滴不允許濺射至箭體結構表面，尤其是火箭發動機外殼表面，因此要對噴水過程進行研究，以確保降噪降溫的同時沒有水濺到火箭發動機上。

VOF多相流模型

NASA肯尼迪航天中心采用VOF模型模擬了發射過程中水流通過發射器甲板上被稱為Rainbird的噴嘴(如圖3)時的狀態，計算分析了噴水時水柱、液滴的運動軌跡和運動狀態，以達到優化噴嘴布局和安裝的目的。

VOF模型屬于歐拉法兩相流模型，用來處理沒有互相穿插的多相流問題，要求所有的控制體積必須被任何一種流體相或混合相填滿，用體積率函數表示流體自由面的位置和流體所占的體積。

圖3 發射平臺上的Rainbird噴水系統

Rainbird噴嘴出口直徑為2.4英尺，傾斜10度，并充滿水，在零時刻，水以預先確定的體積流量注入，下表列出了在模擬過程中的水的體積流量。

控制方程

VOF模型中，連續性方程和動量方程適用于氣相和液相，一種流體的物理性質是根據兩種流體在一個單元中的體積分數計算的加權平均。連續性方程和動量方程的守恒形式如下：

其中，Ss是自由表面的表面張力，定義為：

其中α為液相（水）的體積分數。

模擬計算基于OpenFOAM2.3.0軟件，采用兩相均不可壓縮流體模型，相界面采用層流模型，其余部分采用RANS湍流模型。圖4為OpenFOAM中使用blockMesh工具生成的結構性計算網格。

圖4 使用blockMesh工具生成的結構性計算網格

結果分析

水流實際移動距離是重點關注參數。圖5-7為采用拋物線運動理論計算得到的結果，圖8 – 10為OpenFOAM模擬3個rianbird噴嘴在額定工作狀態時的結果，其中，紅色對應α= 1，代表水，藍色對應α= 0，代表空氣。

圖5 拋物線運動理論計算結果-北角噴嘴

圖6 拋物線運動理論計算結果-北中心噴嘴

圖7 拋物線運動理論計算結果-南角噴嘴

圖8 OpenFOAM計算結果-北角噴嘴

圖9 OpenFOAM計算結果-北中心噴嘴

圖10 OpenFOAM計算結果-南角噴嘴

從OpenFOAM模擬結果可以看出，北角、北中心、南角的噴嘴水流分別移動了11米、13米和18.5米，這些數值與拋物線運動理論計算結果(11.9m、14.6m和21.4m)數值接近。

圖11-13是3個rainbird噴嘴在額定工作期間的速度場，高流速表明甲板上的水積累較少，在體積流量較低的情況下，沖擊部位的再循環區域較小，流動較擴散。

圖11 水流速度-北角噴嘴

圖12 水流速度-北中心噴嘴

圖13 水流速度-南角噴嘴

在較高流量下運行的噴嘴可能會到達火箭所在區域，不過在水射流達到充分發展的流量之前，火箭已離開發射臺，因此，水流不會影響火箭發動機。

由于在VOF多相流模型中考慮了空氣對水的粘性影響，因此采用VOF模型計算獲得的噴水距離要小于水柱拋物線運動理論計算的距離。與經典運動理論公式計算相比，采用VOF多相流模型計算更加接近真實狀態，因此可以減小設計冗余。

【參考文獻】

Bruce T，Vu Nicholas Moss，Zoe Sampson. Multi-Phase Modeling of Rainbird Water Injection, American Institute of Aeronautics and Astronautics.

來源：多相流在線