跨音速喷管化学反应流数值模拟

用时间相关的半隐格式有限差分数值方法求解了化学非平衡反应跨音速喷管流场，在喷管收敛段，流动接近化学平衡状态，控制方程的刚性问题严重，数值积分困难。通过对时间差分项隐式离散、对空间差分项显式离散，流场边界采用参考平面上的特征线法计算等，成功地解决了由于化学反应有限速率带来的数值解不稳定问题。该格式简单、需要计算机存贮空间少。本文完成了一维和轴对称非平衡化学反应喷管流动计算，并与化学平衡流和冻结流的计算结果做了比较。     

三维数值模拟再生冷却喷管的换热

为了解液体火箭发动机喷管再生冷却的换热特点，采用数值模拟的方法，对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的三维控制方程，进行流动和传热的耦合计算。在计算中，假定喷管流动为冻结流动，考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热；采用二阶迎风格式离散控制方程，采用DO模型离散求解辐射换热方程，水蒸气的吸收系数根据Leckner公式计算。计算模型采用缩比热试车发动机，数值计算结果与实验结果吻合较好，较准确地模拟出了喷管的壁面热流密度，得到了喷管燃气和冷却液的流场和温度场，对高压再生冷却喷管的设计具有指导意义。     

喷管性能的化学动力学分析

应用化学平衡流动和化学反应动力学的方法对某液体发动机喷管进行计算，得到了不同面积比下的燃气参数和发动机性能参数分布。小型液体火箭发动机的化学动力学损失比较大，性能接近冻结流动的结果。化学动力学损失主要产生在喷管初始膨胀部分，随着面积比的增加，化学动力学损失增大。     

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

液氢液氧发动机喷管化学反应流数值模拟

用时间相关的半隐格式求解液氢液氧发动机喷管中的化学反应流动，考虑了６种燃烧产物，８个基元反应，得到了流动参数和产物的质量分数在流场中的分布，为发动机化学动力学损失计算和喷管热结构设计提供了必要数据。计算结果表明，采用半隐格式解决组分连续方程刚性引起的数值不稳定是有效的。     

微波等离子推力器喷管流动数值模拟

为了准确把握微波等离子推力器喷管流动的机理与特点,采用冻结流和非平衡流两种模型对其进行了对比数值模拟分析。非平衡流模型考虑了流动过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分、4反应的有限速率化学反应模型,采用二阶精度NND格式数值求解耦合化学反应源项的N S方程组。数值模拟的结果揭示了喷管内的流场结构,反映了喷管内的离解电离状况,得到了推力器的推力和比冲。分析表明,数值方法有效,计算结果合理,具有工程应用价值,能为相关研究提供参考。     

分离流动对矢量喷管性能的影响

采用有限体积法计算了轴对称矢量喷管三维粘性流场，通过改进人工粘性及其边界条件提高了计算的收敛性和数值模拟的精度。利用数值模拟研究了矢量喷管的分离流动对矢量推进性能的影响，通过同实验结果对比，验证了数值模拟的精度。研究表明，分离流动对矢量喷管的性能参数尤其是有效矢量角具有较大影响。     

固体火箭发动机有约束流场推力特性计算

为计算带约束流场的固体火箭发动机推力特性，建立了一维准定常变截面的内弹道计算和约束流场流动的数学模型。计算结果表明，约束流场使推力增加14%，冲波进入喷管扩张段。与试验结果很接近，表明计算模型正确，可用于其它型号带约束流场的推力特性计算。     

塞式喷管化学反应非平衡流动的数值模拟

对塞锥流场采用七组元八反应模型,对内喷管流场采用六组元八反应模型,数值模拟了氢氧塞式喷管的流动参数、组分质量分数和热力学参数的分布,并把化学反应非平衡流动和冻结流动的流场进行了比较。在边界层和底部回流区内,燃气流速低、温度高,组分O2,H2,O,H,OH的含量比主流内高,而H2O的含量比主流内低。绝热指数随温度的降低而增大,气体常数随温度的降低而减小。外界空气对塞锥流场的影响只限于流动剪切层,对塞锥主流的影响不大。     

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。     

高超声速喷管非平衡黏性流动的数值研究

分别采用平衡气体模型、化学非平衡气体模型和热化学非平衡气体模型,通过求解轴对称Navier-Stokes方程组,数值模拟了法国Marseille高焓激波风洞锥型喷管(H₀=10.3MJ/kg),分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、振动温度、马赫数和组分质量数在轴对称线上的分布与喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果。计算结果表明:化学反应速度加快,会导致喷管出口温度增加,振动能的冻结会导致喷管出口温度降低。     

不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场影响的数值分析

采用轴对称NS方程,数值研究不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场的影响,包括:(1)不同组元数的高温空气模型(5组元、7组元1、1组元)的比较;(2)热力非平衡(双温度)的化学动力过程与热力平衡(单温度)的化学动力过程的比较。计算结果表明,高焓风洞实验条件下喷管流场处于热力和化学都是非平衡的状态。在计算条件下,数值模拟以采用7组元或11组元的热化学非平衡模型为宜。     

喷管一维流场化学非平衡通用计算软件研制

研制的火箭发动机一维喷管非平衡流通用计算软件，建立在一个统一的化学反应库之上。该通用计算软件可对推进剂元素为碳、氢、氧、氮、氟、氯的火箭发动机喷管进行一维化学非平衡流数值模拟。通过计算推进剂元素为氢、氧和碳、氢、氧、氮的喷管一维化学非平衡流，得到了喷管流场的速度、温度、密度、压力及各组分的质量百分比等参数，为工程设计提供了依据。     

高超声速喷管三维热化学非平衡流场的数值模拟

利用数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法和多块网格技术,数值模拟了典型高焓激波风洞锥型喷管的三维非平衡流场,分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、组分N2和O2振动温度、马赫数和组分质量分数在轴对称线上的分布,也给出了喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果,获得了喷管流场的详细信息,并与已经存在的采用轴对称Navier-Stokes方程计算的结果,进行了比较,二者吻合得很好.计算结果表明:目前的代码是可以模拟多块结构网格下的热化学非平衡流动的.     

化学非平衡喷管流计算方法的研究

本文提供了考虑化学反应非平衡和振动非平衡的喷管流动计算方法。在忽略扩散、粘性和热传导及辐射损失的假设下，得到完全气体一维定常流动方程，再加上振动能松驰方程和化学反应速率方程即可数值积分求解。采用扰动法得到接近平衡流的一组积分初值。采用“逆积分方法”求解通过喉道。计算结果是令人满意的。     

一维喷管化学反应流的吉尔方法研究

建立了一维喷管化学反应流计算模型,并进行了数值求解,给出了喷管内一维化学反应流计算结果。采用吉尔方法解决控制方程组的刚性问题获得满意效果。计算中解决了化学反应流计算中初值难于给定和喉部条件难于确定等问题。并通过对氢氧发动机喷管的分析计算,证明了这种方法的正确性。     

固液混合火箭发动机喷管流动计算

利用二维轴对称 N-S方程和组分方程对选用液氧 /端羟基聚丁二烯推进剂的固液混合火箭发动机喷管流动进行了计算。计算采用 LU时间隐式格式、MUSCL空间离散和 Van Leer矢通量分裂方法 ,8组分 1 0反应的化学反应模型 ,对化学源相进行了点隐式处理。喷管入口条件通过燃速计算和热力计算得到 ,计算了多个氧化剂流率和装药长度情况下的喷管流场 ,分析了真空比冲和推力与氧化剂流率的关系 ,为固液混合火箭发动机喷管设计提供了依据      

化学非平衡流动对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响

采用RNGk-ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,针对设计的超声速燃烧冲压发动机单斜面膨胀喷管,采用氢氧七组元八反应模型,数值模拟不同高度、不同来流马赫数条件下的喷管流场和性能.计算结果表明,喷管内的进一步燃烧对燃烧室起到了一定的补燃作用,对喷管性能影响较大.化学非平衡状态下,喷管推力特性和升力特性显著提高.超燃冲压发动机尾喷管的性能研究,应考虑化学非平衡流动的影响.      

Effects of chemical energy accommodation on nonequilibrium flow and heat transfer to a catalytic wall

The accurate prediction of the aeroheating performance of hypersonic vehicles requires more detailed modeling of the catalysis process, rather than merely employing a catalytic coefficient. In this paper, the theoretical modeling, as well as the direct simulation Monte Carlo method, is used to preliminarily study the incomplete chemical energy accommodation effects, that is, only a part of the potential energy released in the heterogenous recombination reaction is transferred to the surface, while the remaining is retained as the vibrational energy of the desorbed molecule. An integrated model is proposed to describe the contribution of each energy mode in the rarefied nonequilibrium heat and mass transfer process. Based on the model and several Damköhler numbers, an analytical formula is derived, and is also shown to compare well with the numerical results. On account of the incomplete accommodations of the chemical and vibrational energy on the wall, a variation up to 20% is observed in predicting the stagnation point heat flux under typical nonequilibrium flow conditions. This study could enrich our understanding of the nonequilibrium heat transfer phenomenon and also shows a potential practical value.     

再入飞行器化学非平衡流动的隐式向量算法研究

在YH－2计算机上对再入飞行器化学非平衡流流场的NND隐式程序进行向量化计算，在对程序作了重构优化后，向量加速比达3．4。这是对化学非平衡流N－S方程隐式程序进行向量化计算的成功尝试，也为进一步实现程序的并行执行奠定了良好的基础。