基于分子运动模拟的微喷管流体流动

深入研究微喷管内流场性能有助于微推进系统的优化设计.在高克努森数条件下,运用直接模拟蒙特卡罗方法模拟微喷管流动过程,对不同入口温度下的拉伐尔喷管流场进行二维数值模拟,模拟结果表明随着入口流体温度的升高,由于黏性力的增强,微喷管的推力减小而比冲增大.对微喷管的三维数值模拟表明,推力效率随着喷管蚀刻深度的减少而降低,微喷管蚀刻深度的增加将使三维壁面边界的影响降低.      

微喷管内声速点位置及临界压比

为提高微型空间推进器和微型气体涡轮机等微型器件的性能,利用有限体积法求解二维可压缩N-S方程模拟了扩张比为1.7的收缩-扩张微喷管内部的流场结构和温度分布,研究了尺度效应对微喷管内部流场结构的影响,计算中微喷管的喉部宽度为1～200μm.数值结果表明：在扩张比和进出口压力相同的条件下,微喷管出口马赫数随着微喷管尺度的减小而减小.微喷管内首次出现声速点的位置随着喷管尺度的缩小从喷管喉部逐渐移向喷管出口,临界压比值随着喷管尺度的减小而减小.     

喉部结构对微喷管性能的影响

以FLUENT6.1为工具,利用数值计算求解二维稳态可压缩N-S方程,模拟了喉部有无圆弧过渡以及不同的喉部曲率半径对扩张比为5.4的收缩-扩张微喷管x方向质量流速和总压力影响,进而研究了对微喷管的流量系数和推力效率影响.数值计算结果表明:喉部有无圆弧过渡以及不同的喉部曲率半径,将会影响微喷管出口处x方向的质量流速和总压力分布,随着微喷管喉部特征雷诺数的增大,相对应微喷管最大流量和推力的微喷管喉部曲率半径也相应增加.      

外形设计对微喷管性能的影响

利用直接模拟蒙特卡罗法对钟形、喇叭形和锥形等三种不同形状微喷管进行管内气体流动模拟,并对不同温度及入口压力下各形状喷管的性能变化进行模拟分析,模拟中采用与实际分子碰撞过程更为接近的内能松弛模型及CLL物面反射模型。研究结果表明钟形微喷管因扩张段回流区的存在,其推力性能明显低于喇叭形和锥形微喷管,锥形微喷管的推力性能同喇叭形微喷管较为相近。三种形状的微喷管推力值都随着入口温度的升高而降低,而微喷管的推力效率随着入口温度的升高而上升,入口压力的变化对微喷管推力有较大影响,但对微喷管的推力效率影响并不显著。     

喉部形状设计对微喷管内流动及性能的影响

采用连续介质方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法数值模拟研究了喉部宽度为34μm的二维Laval型微喷管内流场的流动状况.设计了三种不同喉部形状的微喷管:尖角型、圆角型和平角型.计算分析了喉部形状、扩张比等方面对流场结构及推进性能的影响.研究发现,圆角型微喷管的综合性能最优,平角型微喷管具有较大的比冲效率;适当增大扩张比能提高微喷管的性能.      

微波瓣燃烧器中流向涡混合数值研究

为了检验波瓣喷管下游流向涡能否促进燃烧, 对尺度为毫米量级的微波瓣喷管混合燃烧器中流向涡的行为进行了数值模拟研究.研究发现, 微波瓣喷管燃烧器中远没有微波瓣喷管混合器中非常强烈的流向涡形成和发展, 造成差别的根本原因在于本该形成流向涡的主次气流接触界面变成了燃烧火焰的锋面, 燃烧反应气流体积的急剧膨胀使流向涡环量迅速耗散衰减.另外, 流场计算结果显示在4波瓣和8波瓣微喷管燃烧器中主次流接触初期有较明显的流向涡生成、发展和很快消失, 而在12波瓣微喷管燃烧器中基本没有明显的流向涡形成和发展.但是, 对比模拟表明, 在同样边界条件下12波瓣微喷管混合器中却有非常明显的流向涡的形成和发展.      

爆震管喷管流动数值研究

为了获得高性能的爆震管,应用时空守恒元和解元(CE/SE)法对带不同形式喷管的爆震管进行二维轴对称数值模拟,分析复杂的爆震波流场,研究喷管对爆震管性能的影响。结果表明,爆震管的推进性能的提高受喷管的长度、夹角和形状的影响,其中长喷管性能优于短喷管,收敛扩张喷管性能优于收敛喷管,钟形喷管性能优于扩张喷管。     

共用喷管多管爆震发动机工作过程数值模拟

为研究共用喷管多爆震管间爆震流场的相互作用,利用CFD商业软件,选用通用有限速率模型,以氢气和氧气混合物为例,对不同喷管喉部面积和不同爆震管数的共用喷管多管爆震发动机工作过程进行了数值模拟,并对其性能进行了比较与分析。计算结果表明,喷管喉部面积和爆震管数目对爆震管间的相互影响产生很大影响,模拟结果可为多爆震管脉冲爆震发动机的设计提供理论基础。     

喉部不对称对微喷管性能影响

以FLUENT 6.1软件为工具,利用数值计算求解二维稳态可压缩Navier-Stokes(N-S)方程,模拟了微喷管内超声速流体流动,分析了喷管喉部结构不对称对喷管内部的流场和喷管性能的影响.这种喉部结构不对称是由于喉部上下顶点在x方向偏离一定距离所造成的.数值计算结果表明,喷管喉部在流体流动方向的不对称,将导致喷管内部流体流场不平衡性,使得流量增大,喷管出口的x方向推力增加,y方向产生了多余的推力.      

矢量喷管壁温分布的数值计算研究

计算了矢量喷管的对流和辐射换热及壁温的二维分布,考虑了对各热部件采用相应的冷却方式,比较了不同的气膜冷却模型对喷管扩张调节片的冷却效果,计算喷管的辐射换热时分光谱进行,考虑喷管内燃气参数的三维分布,编制了对轴对称矢量喷管、圆转方二元矢量喷管、球面过渡段矢量喷管在加力与非加力状态下均适用的计算程序,并给出了几个算例的计算结果。结果表明:偏转矢量喷管的壁温沿周向有明显变化,沿偏转方向的壁温较低,相反方向的壁温较高。      

二元非对称喷管可调方案试验研究

 针对某二元非对称喷管提出了两种可调方式(方案A和方案B),开展了不同落压比(NPR)的喷管风洞试验,获得了喷管壁面压力分布和流场纹影。根据风洞试验条件,进行了详细的三维数值模拟研究,并与试验结果进行对比,两者吻合良好,验证了本文所采用的数值模拟方法的可靠性。根据数值模拟与试验结果,得出了两种方案推力性能的差异。其中,方案B(喉道和出口面积均可调节)较方案A(仅喉道面积可调节)面积膨胀比更接近喷管理想膨胀比,因此方案B推力性能较好。在落压比为3.8时,方案B较方案A推力系数提高了8%。     

二维非对称喷管数值模拟与验证

采用Fluent软件针对二维非对称喷管进行数值模拟,考察了其中几种常用湍流模型及网格密度对模拟精度的影响,并将计算结果与NASA公布的实验数据进行比较,找出了精度较高、求解快捷的模拟方案,结果表明FLUENT软件可以应用于带高超声速外流的非对称超声速喷管内外流场的数值计算。      

矢量偏转对轴对称喷管性能的影响

采用有限体积法对不同偏转角和不同压比下的三维轴对称矢量喷管内外湍流流场进行数值模拟,结果表明:在相同压比下,轴对称喷管各性能参数与喷管偏转角基本成线性关系,并且在不同压比下偏转角对性能参数的影响不同,在小压比工况下偏转角对性能参数的影响大于大压比工况;在同一偏转角度下,随着喷管压比的增大,推力系数呈现出先减小后增大再减小的趋势,而矢量角却增大后减小.利用最小二乘曲面拟合技术,建立了该轴对称矢量喷管性能的数学模型,确定了各性能参数与压比及偏转角的多项式函数关系,逼近精度较高,具有一定的工程应用价值.     

Laval型微喷管内气体流动的计算及分析

基于连续介质模型模拟研究了喉部宽度为37μm的二维Laval型微喷管内气体流动特性.计算分析了落压比变化对流场结构的影响;研究了前人文献中提到的"超声速环"现象,发现其本质就是过膨胀状态下微喷管内形成的"马赫盘",并利用激波理论分析讨论了在微尺度下该现象的形成机理及产生条件;在出口压力不变的情况下,采用落压比界定出"超声速环"可能存在的范围;讨论了落压比与激波对微喷管总压降的影响.      

喷管气动参数对推力矢量影响的数值模拟

以二元收扩喷管为对象,开展了基于二次流喷射的流体推力矢量技术研究。基于CFD技术,分析了激波矢量控制技术实现推力矢量的机理。重点分析了喷管落压比NPR,二次流总压比SPR,自由流马赫数Ma∞对流体推力矢量性能的影响。数值模拟结果表明:推力矢量的大小与斜激波的位置、角度以及流动分离区的大小有关。在所计算的参数范围内,推力矢量随喷管主次流的变化规律是:推力矢量角随NPR的增大逐渐减小;随SPR的增加,推力矢量角单调增加;在大落压比时,自由流马赫数对推力矢量的影响是有限的,而在低落压比时,自由流马赫数增加,推力矢量角减小。     

基于数值模拟的轴对称矢量喷管性能预测数学模型

基于三维数值模拟,对不同轴对称矢量喷管在多种工作状态下的内外流场进行了研究,分析了扩张角及扩张段长度对喷管有效矢量角的影响.基于最小二乘曲面拟合理论,建立了自变量包括扩张角、扩张段长度/喉道直径、落压比/设计落压比、几何偏转矢量角的多变量轴对称矢量喷管性能预测数学模型,并根据已有实验数据,对该模型进行了验证结果表明:推力系数误差最大为0.41%,流量系数误差最大为1.58%,矢量角误差最大为1.76°.建立的数学模型通用性较强,实现了用统一的模型对不同喷管性能参数进行预测和分析,具有一定的工程意义.      

固体火箭发动机塞式喷管数值模拟和热态试验

为了考察固体火箭发动机塞式喷管的性能,设计了一套单元内喷管数为16、面积比为25的环簇式固体塞式喷管和一对比用钟型喷管,采用数值模拟方法预估了其推力性能.对塞式喷管进行了地面热态试验,测定了其推力性能.结果表明,环簇式塞式喷管地面燃气流动现象和推力性能的数值模拟结果与试验结果吻合.塞式喷管在地面上的推力效率达92.6%,比同面积比和长度的钟型喷管高9.1%,具有明显的高度补偿效应;但高空效率比用钟型喷管效率降低5.8%.      

高精度ENO格式在喷管流动模拟中的应用

本文分析了ＥＮＯ格式的特点,并应用于Ｅｕｌｅｒ方程和全ＮＳ方程的迁移项和压力项,模拟了各种喷管流动。首先计算了ＪＰＬ喷管流动,取得了和实验一致的结果,分析了喷管内产生弱激波的原因;其次计算了非定常二维喷管流动,给出了相应的计算结果,并分析了壁面附近流场的拓扑结构;最后计算了摆动喷管的流动及推力矢量计算,取得了推力随摆角变化的规律,和实验结果表明基本一致。     

复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟

研究了球面收敛矩形扩张的二元喷管（ＳＣＦＮ）流场的数值模拟,为了有效地捕获激波与滑流面及较好地模拟分离,采用了Ｒｏｅ格式、ＭＵＳＣＬ方法及Ｖｅｎｄａｔａｋｒｉｓｈｎａｎ限制器、Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ方程紊流模型。研究中给出了两个喷管模型四个流动状态的数值模拟结果。结果表明,除了有严重分离的流动情况以外,该算法能得到相当满意的计算结果。