轴对称喷管内外流场与结构温度场耦合计算

利用有限体积的对流项二次迎风插值格式和重整化群(RNG)k-ε湍流模型,二层增强型壁面函数,同时利用球形谐波法考虑热辐射的影响,以灰气体加权模型(WSGGM)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程。采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交换数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析。采用此计算模型对静止的轴对称收-扩喷管进行了数值模拟,计算得到的喷管壁温与试验数据吻合良好。在此基础上,进一步开展了巡航状态下轴对称收-扩喷管内外流场与结构温度场的耦合数值研究。     

壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

喷管超音段壁面排气引射冷却方案气动特性研究

在常温条件下,对3种轴对称收扩喷管超音段壁面排气引射冷却方案(缝隙式气膜冷却、离散孔式气膜冷却和冲击—气膜组合式冷却)的气动特性进行了试验研究,得到了不同冷却方案的推力系数、壁面压力分布和抽吸特性以及冷却气流量对这些性能的影响。试验结果表明:与常规轴对称收扩喷管相比,采用排气引射冷却的喷管具有更好的推力特性,3种喷管的抽吸特性都优于轴对称基准喷管。      

轴对称收扩喷管温度场数值仿真

为了提高轴对称喷管壁温仿真精度及获得影响壁温的主要因素,通过加力燃烧室和轴对称收扩喷管联合仿真,并将 CFD数值模拟结果和试验状态喷管壁面温度进行对比分析,研究了边界条件对喷管壁温的影响。基于加力喷管联合仿真提取喷 管入口参数的方法研究了收敛段隔热屏结构形式、收敛段冷却通道高度和冷却气流量对轴对称收扩喷管壁面温度的影响。结果 表明：采用加力和喷管联合仿真计算时喷管调节片链温度与试验结果规律一致,差值较小约50 ℃;随隔热屏加长调节片温度降 低,密封片温度升高;后端半圆形缺口的隔热屏使得扩张段温度呈V型分布,调节片温度升高,密封片温度降低;全环隔热屏对调 节片和密封片均有较好的冷却效果;随冷却通道高度减小2 mm,调节片温度升高50 ℃,密封片温度降低;随冷却气流量增加1 kg/s 喷管最高壁温降低200 ℃。     

二元塞式喷管红外特征及壁面降温的红外抑制效果计算

用数值计算的方法研究了涡扇发动机二元塞式喷管在3~5μm波段的红外辐射特性,并与轴对称收扩喷管进行了对比.结果表明:无冷却措施时,相比于轴对称收扩喷管,二元塞式喷管在大部分探测角度上红外辐射增强,只在小部分的探测角度范围内具有红外抑制作用,在窄边探测面内探测角为90°方向上,其红外辐射强度降低了54%.若塞锥后部壁面温度降低300K,二元塞式喷管在大部分探测角度范围内的红外辐射强度明显低于轴对称喷管,在正尾向上的红外辐射强度降低了57%;与轴对称喷管中心锥表面降低相同温度相比,二元塞式喷管能取得更高的红外抑制效果,并且所付出的冷却代价较小.      

跨声速条件下轴对称收扩喷管内外流场的数值研究

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用不同湍流模型、壁面函数对轴对称喷管内外流场进行三维数值模拟.计算结果与实验数据对比表明,采用涡粘修正的RNG模型,内流场使用增强壁面函数,外流场使用标准壁面函数可以得到准确的计算结果.研究表明:在亚声速条件下,喷管外壁面压力分布随落压比的变化不大;超声速条件下,喷管外壁面激波随着落压比的增大前移.      

涡轮发动机可调收扩喷管主要性能影响因素

采用数学方法对影响收扩喷管流量系数和推力系数的因素进行了定量分析,将特定结构参数的收扩喷管流量系数转化为喷管喉道直径D8的函数,将推力系数转换为喷管喉道面积A8和喷管面积比Ar的函数,并通过数值模拟对流量系数和推力系数函数的准确性进行了校验。研究结果表明:这2个函数可以较好地反映流量系数和推力系数的变化趋势,通过对其求解可以快速得到收扩喷管在某一状态的性能参数。利用公式得到可调收扩喷管推力系数最大点出现在略欠膨胀的工作状态。     

不同锯齿对圆转矩形喷管红外辐射特征影响数值模拟

在考虑中心锥、波瓣混合器、火焰稳定器以及加力燃烧室筒体影响的条件下,将轴对称收扩喷管改型设计为圆转矩形基准喷管,进一步在喷管出口进行修型设计.并对不同锯齿喷管流动、换热与红外辐射特征进行了数值分析.得到如下结论:考虑高温部件后,喷管红外辐射强度的方向性特征更加明显;相比圆转矩形基准喷管,采用多个小尺寸锯齿时,射流高温区长度有一定缩短,采用单个大尺寸锯齿时,高温区长度进一步缩短,其正后方红外辐射强度降低;将轴对称收扩喷管改为圆转矩形喷管并加装锯齿后,强化尾喷流与外流掺混,降低其红外辐射强度的同时带来了一定的推力损失.     

双钟型喷管高度补偿特性的数值分析

针对双钟型喷管流场中存在的激波、激波与附面层相互作用、大尺度分离流动等复杂的物理现象，应用RNGκ-ε湍流模型封闭二维粘性可压缩N-S方程组，采用二阶迎风格式及隐式Gauss-Seidel迭代方法进行耦合求解，对双钟型喷管流场进行数值模拟研究。结果表明，双钟型喷管在低空出现壁面可控流动分离，避免了过膨胀现象，性能优于大面积比钟型喷管；在高空下为完全附着流动，性能优于小面积比钟型喷管，实现了高度补偿特性。     

球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征的实验研究

为了获得球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征，在小型热射流实验台架上运用红外热像显示和流场测量，在总温673～823K、喷管落压比(NPR)1．46～2．25状态下，对不同喉道宽高比、俯仰角和偏航角的热射流特征进行了实验研究。在本研究范围内，NPR对矢量喷管上壁面附面层流动影响不大；在扩张上壁附面层分离的情况下．壁面附近的流线被上抬，形成“马鞍”形异型总压分布；喷121出121下游的激波呈现一连串的“葫芦”状，随喷管矢量角的增大，流场的不对称性越明显；在收扩喷管喉道宽高比（ARi）为2时，热射流被分成两股。     

脉冲爆震发动机喷管流动的数值模拟

为了研究喷管形状及充气状况对脉冲爆震发动机推进性能的影响,发展了基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积程序,对影响脉冲爆震发动机推进性能主要过程进行了数值模拟,计算结果和相应的实验结果较为一致。锥形喷管的算例表明,不仅锥角对喷管性能有重要影响,而且同一锥角下喷管内的充气状况对喷管性能也有重要影响。在喷管内充空气情形下,爆轰波进入喷管后迅速衰减为激波,扩张管道的超声速膨胀使得喷管壁面压力显著下降,从而削弱了喷管提高脉冲爆震发动机推进性能的作用。在喷管内充燃气情形下,爆轰波进入喷管后可一直维持到喷管出口,显著提高了脉冲爆震发动机的推动性能。     

塞锥气膜冷却对二元塞式喷管红外特征的影响

为了研究二元塞式喷管塞锥壁面多斜孔气膜冷却对喷管红外特征的影响,设计了带冷却结构的喷管试验模型,测量了吹风比从0增加到1时的塞锥壁面温度、喷管出口截面处喷流温度以及喷管红外辐射强度.结果表明：随着吹风比的增加,气膜冷却效率逐渐提高,最大达到0.68;喷管出口截面在中心区域喷流的温度逐渐降低,最大降幅为14%;喷管红外辐射强度逐渐降低,在0°方位角上最大降低52.8%,在90°方位角上最大降低13%.     

考虑导热对流和辐射作用的轴对称收扩喷管壁温计算

基于N-S方程求解了包括引射流、加力燃烧室在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的流场,建立了考虑导热、对流换热和辐射换热作用的轴对称收扩喷管各层壁温分布的计算模型,包括隔热屏、喷管简体、外调节片三层结构.对某航空发动机进行了多工况计算,燃气的物性随压力、温度和油气比的变化采用了一系列精度较高的计算公式和计算方法.计算结果表明:基于密度求解器求解包含引射流在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的跨声速流场是成功的.隔热屏和收扩喷管筒体沿流向温度逐渐升高,喷管筒体壁温在喉部达到最大,在扩张段逐渐降低;收扩喷管外调节片壁温与收扩喷管简体的壁温变化规律相同,但是壁温最大值则位于喉部前某一位置.计算结果与经过试验验证程序的结果符合良好.      

液体火箭发动机喷管发汗冷却研究

采用SSTk-ω湍流模型对液体火箭发动机喷管发汗冷却进行了全场耦合计算,考虑了不同孔隙率、变物性、可压缩性、多孔介质热弥散效应、微尺度流动以及传质等因素的影响,比对再生冷却分析了不同注入率对壁面温度、冷却效率以及边界层厚度的影响;结果表明平均注入率的增大使平均壁温以更大的比例降低,采用发汗冷却的喷管喉部不再是最高温的部位.将CFD计算结果分别与实验以及一维气动公式计算结果进行了比较,证实计算结果可靠.      

用Tam-Thies湍流模型研究带小突片的喷管流场特性

 首先,采用标准k-ε模型、可实现（realizable）k-ε模型、重正化群（RNG）k-ε模型和Tam-Thies模型4种湍流模型模拟了不同工况下的两种轴对称喷管和带有4片小突片的喷管流场,并将计算结果与实验值进行对比。结果发现：Tam-Thies模型所得出的模拟结果与实验值符合最好。然后,用Tam-Thies模型模拟了小突片后倾角不同的喷管的流场,和没有小突片的喷管的计算结果对比,发现：带有小突片的喷管的尾喷流的核心区长度变短,喷管出口下游气体的混合加剧;而当小突片后倾角增大时,核心区长度先减小后增大;在每个小突片下游产生一对方向相反、强度相同的流向涡,当小突片后倾角增大时,流向涡强度呈现出先增大后减小的趋势,而喷管的引射系数增益和推力损失系数都逐渐减小。     

湍流模型对发动机排气系统流场和红外辐射特征计算的影响

计算分析了采用k-ω SST(shear-stress transport)模型、RNG(renormalization group)k-ε模型配合标准壁面函数(RNG k-ε+标准壁面函数)、RNG k-ε模型配合增强型壁面函数法(RNG k-ε+增强壁面函数)3种湍流模拟方法,对典型涡扇发动机轴对称收敛喷管排气系统流场、温度场、组分质量浓度场及红外辐射特征计算结果的影响.研究表明:对于这3种方法,排气系统腔体内壁面压力分布基本一致;但在温度场、组分质量浓度分布以及红外辐射特征方面的差别较大.RNG k-ε+增强壁面函数计算得到的内涵壁面与燃气流的温度、CO₂与H₂O的质量浓度和红外辐射强度值最大,RNG k-ε+标准壁面函数的计算结果其次,而k-ω SST 模型的计算结果最小.通过与试验结果对比,发现k-ω SST模型对排气系统红外辐射特征的模拟更加合理一些.      

轴对称矢量喷管壁面静压分布的试验研究

在模拟实际发动机喷管落压比的情况下, 利用轴对称矢量喷管的缩比模型, 对其壁面静压分布进行了试验研究。研究结果表明, 当矢量偏转后, 轴对称矢量喷管的收敛段与扩张段内流场均呈现出复杂的三维流动的特征; 当喷管落压比小于完全膨胀落压比时, 喷管内部存在周向不对称的斜激波和分离区, 且激波位置随几何矢量角的增大而前移。本文的研究结果可用于检验喷管三维流场的计算精度。