两种流体控制方案矢量喷管内流场计算及分析

在激波诱导和喉道倾斜2种流体控制方案下,对推力矢量喷管的二维内流场进行了数值模拟.用局部加密的四边形结构网格对流场进行网格划分之后,采用二阶迎风离散格式和二方程湍流模型求解强守恒形式的Navier-Stokes方程,通过对内流场的模拟获得流体控制推力矢量喷管方案的推力矢量特性.计算结果表明:对于激波诱导矢量控制方案,在小落压比大注气量且后缝注气的情况下所产生的矢量角最大;对于喉道倾斜矢量控制方案,在扩张片上以与主流成某一角度的方向注入气流产生的矢量角最大且没有带来较大的推力损失;喉道倾斜矢量控制方案因其推力损失较小且能够降低喷管的重量与造价而更具发展前景.      

二元喉道倾斜矢量喷管的数值模拟

利用数值模拟方法,对二元喉道倾斜矢量喷管进行了研究.研究了喉道单侧注气、扩张段辅助注气对喷管流场和性能的影响.研究结果表明:喉道单侧注气可以产生不对称的流动,产生矢量推力,但是推力矢量效率较低;扩张段辅助注气可以显著提高喷管的推力矢量性能;只有注气流量比较大时,才会出现典型的"喉道倾斜"现象;但是推力矢量控制效率最高的区域并不是出现在"喉道倾斜"之后,而是出现在弓形激波位置逐渐前移、扩张段注气口上游亚音速区域不断扩大的过程中.     

喷管分离流动及其侧向载荷

利用商业软件CFX对某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动进行了三维数值模拟.计算获得了喷管入口总压从8MPa减小到1MPa时的流场参数分布和侧向力载荷情况.结果表明,随着入口总压的降低,喷管内流场会依次经历自由激波分离和受限激波分离两种分离激波模态.受限激波分离模态下喷管壁面压强具有较大波动,再附着点压强甚至高于环境压强.流动分离情况下,喷管将受到一定侧向载荷作用,载荷方向随机分布.入口总压为4MPa时计算得到的侧向载荷最大,实际侧向载荷峰值可能出现在自由激波分离与受限激波分离转换瞬间.     

超音速喷流DPIV瞬时速度场实验测量

介绍了采用数字式互相关粒子图像测速系统(DPIV)在测量超音速喷流实验中的应用;实验给出了设计马赫数Ma=1.5的小型拉瓦尔喷管在不同总压和反压比条件下,喷流速度场、流线、涡量分布等定量信息.实验结果显示出流场中激波前后流体速度,涡量分布的明显变化,波系的结构和不同于一维管流的流动特性.     

微射流作用下的超声速流场控制机理研究

以24°压缩拐角为流场模型,针对不同注入总压微射流作用下来流马赫数为2.9的超声速压缩拐角流场进行了数值研究,喷射方向与来流垂直。研究表明,微射流阻挡作用下,其下游速度被减小,而减弱了分离激波强度。此外,微射流与来流耦合会产生正反向旋转流向涡对,在其下洗作用下,高能量流体被带入到边界层底部近壁面处,使此处低能流体被激活,进而增强了边界层的抗逆压能力不易发生分离,且这种激活能力会随注入总压的增加而增强。权衡控制效果和注入能量认为,注入压比(注入总压/来流总压)为0.60的微射流为最优方案,在其作用下,拐角区分离面积被减小了近70%、激波交汇点与壁面的距离被降低了近37%、分离激波强度被削弱近12%。     

二次扩张型射流矢量喷管的设计及性能计算

应用数值模拟的方法对二次扩张型射流矢量喷管进行设计并研究了其推力矢量性能,探讨了二次扩张段注入射流产生推力矢量的机理,分析了二次扩张角度以及次主流压力比(SPR,Secondary to Primary total pressure Ratio)的变化对喷管主喷流偏转特性的影响.计算结果表明:在二次扩张段上注入二次射流可使喷管的出口段在不同区域产生不均匀的压强分布并且迫使主喷流发生偏转产生推力矢量;二次扩张型喷管比无二次扩张型喷管具有更好的推力矢量性能;二次扩张角度越大喷管产生的气动矢量角越大,在文中设计条件下二次扩张型喷管的气动矢量角最大可达39°;气动矢量角随次主流压比SPR的增大而增大.      

超声速燃烧冲压发动机进气道起动性能研究

采用等激波强度设计方法,并考虑变比热、激波与附面层干扰等因素的影响,对唇口平直和唇口带有斜楔的超燃冲压发动机二维混压式前体/进气道进行了初步设计,比较分析了几种方案进气道的设计点和非设计点性能,研究表明,在低飞行马赫数(Ma)下,唇口带有斜楔的前体/进气道起动性能和总压恢复优于唇口平直的,在高飞行Ma下,唇口平直的前体/进气道冲压比高、外罩阻力小,而唇口带有斜楔的前体/进气道总压恢复系数高,外罩阻力相对较大。针对超声速燃烧冲压发动机燃烧室和进气道间非定常干扰的问题,计算研究了飞行Ma=4,6下,燃烧室压力升高对进气道/隔离段流场和起动性能的影响,结果表明,在低飞行Ma条件下,燃烧引起的压力扰动容易往上游传播,甚至引起进气道不起动;随着飞行Ma的增大,隔离段的抗扰动能力是增强的;当进气道进入不起动后,进气道的捕获流量和总压恢复系数急剧下降,高飞行Ma时的捕获流量的下降幅度比低飞行Ma时大。     

气体二次喷射矢量喷管三维流场计算

采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型对气体二次喷射推力矢量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟.比较了在不同喷射参数和不同喷管落压比NPR(Nozzle Pressure Ratio)下的流场特征,分析了这些参数对矢量偏转效率和推力系数的影响.结果表明,二次流喷射位置、喷射角度和二次流质量流量对矢量角的影响相互耦合,喷管达到最大矢量角时,各参数并不能同时达到各自的最优值;矢量角越大,推力系数越小,推力损失越大;矩形喷射口的推力矢量性能优于圆形喷射口;减小喷管落压比可以提高矢量偏转角度.     

射流对高超声速进气道起动性能的影响

为探索利用射流技术降低进气道起动马赫数的可行性,对二元高超声速进气道二维流场进行了数值模拟,通过对比不同工况的流场结构、流量系数及总压恢复系数,分析了射流对高超声速进气道的作用效果,并研究了射流速度、压强及倾角对进气道起动性能的影响。分析结果表明:施加射流,激波与进气道边界层原有干扰形式发生改变,是降低进气道起动马赫数的主要原因。研究还表明,增大射流速度利于提高控制效果,但持续增大射流速度,会造成隔离段反压升高,并且这一现象与射流压强相关,降低射流压强能使进气道起动的射流速度区间扩大,同时在不同射流倾角下,上述规律表现一致。该研究揭示了进气道起动能力随射流参数变化的系统性规律,可用于指导工程设计及优化。     

氢氧发动机真空羽流干扰试验研究

为了研究航天器发动机多股羽流产生的羽流干扰对流场结构及参数的影响,在北京航空航天大学真空羽流效应试验系统（PES）中,采用总压皮托管阵列对60 N氢氧模拟发动机单机羽流和双机干扰羽流的压力场进行了测量。试验结果表明:单机羽流流场压力随着轴向距离的增大而迅速降低;受到钟形喷管产生的压缩波束影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离喷管轴线;双机羽流干扰发生于两股发动机羽流主流之间的区域,干扰流的作用范围和强度随着轴向距离的增大而增大,干扰流压力最高可以达到单机羽流相同位置处压力的5倍以上;受到干扰流压缩波束边界的影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离双发动机对称面。      

流体喉部喷管二次流矢量控制方案

针对结合了二次流矢量控制的固体火箭发动机流体喉部喷管进行了研究.通过数值模拟着重分析了同时存在推力大小调节和方向改变的工况,即喷管喉部和扩张段上同时存在二次流时的情况.比较了典型的9种二次流喷射方案喉部控制性能和推力矢量性能,并讨论了喉部存在二次流时对下游二次流矢量控制的影响.方案的比较结果为实际设计、方案选型提供了参考.     

无碰撞激波上游低频波的激发及其对激波耗散机制的影响

由于很大一部分来自激波上游的粒子被激波面所反射,因此在准平行无碰撞激波的上游存在着等离子体束流．通过一维混合模拟方法,计算了束流密度较小(nb／n0=0．02)和较大(nb／n0=0．2)两种不同情形下的等离子体束流不稳定性．结果表明,在束流密度较小时,束流激发的主要是平行于背景磁场方向传播的右旋波,此波动只能对束流粒子产生影响,包括减速和加热．在束流密度较大时,束流可同时激发平行和反平行于背景磁场方向传播的右旋波,除能对束流粒子产生影响外,还可通过非共振作用加速和加热背景粒子．文中对准平行无碰撞激波耗散机制的影响也进行了讨论。     

一种利用正交流线坐标系求解跨音速管流的新方法

本文以正交流线坐标系为工具,采用位流模型,导出了正交流线坐标系下平面或轴对称流动的控制方程组,利用流函数与位函数的存在性,进而导出了两个首次积分。设计了一套求解匀熵管流的分凝迭代方案,模拟了管内无激波的平面或轴对称喷管的跨音速流动。数值实验表明该方法能够处理小喉道曲率半径平面或轴对称喷管跨音速流动,与已有的数值计算结果及实验结果符合较好。     

单元二维直排塞式喷管冷流实验

为研究塞式喷管的高度特性和底部特性,采用高压空气为工作介质对单元直排塞式喷管进行实验.研究了底部盖板、底部二次流对性能的影响和塞锥壁面压强分布.实验结果表明:无底部盖板可提高塞式喷管低空性能2%~7%;底部二次流可提高底部压强,减少底部开闭状态转变过程带来的推力突降;底部二次流流量以1%~1.5%为宜,过大将引起喷管性能下降.本实验喷管设计点效率均超过99%,部分实验接近100%,高度补偿效果明显.     

激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响,飞行器的研制迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。在JF8A激波风洞中开展了7°半锥角的高超声速尖锥边界层转捩实验研究,利用响应频率达到1 MHz量级的高频压力传感器对尖锥壁面脉动压力进行了测量,并结合热流测量结果,研究了高超声速尖锥边界层中扰动波的发展过程。实验结果表明:JF8A激波风洞在雷诺数为6.4×106/m状态下核心流的自由流噪声为2.8%;高频脉动压力测量技术能清晰地捕捉转捩过程中的第二模态波及其发展历程,试验状态下模型的第二模态波频率范围为165~206 kHz。当前研究结果能够为高超声速数值方法验证提供数据支撑。      

多重激波的数值模拟研究

本文用一维混合粒子模拟Code研究了包括中间激波在内的多重激波.模拟了四种情形,可以分为两类:(1)由快激波和中间激波构成的两重激波,(2)快激波、中间激波和慢激波构成的三重激波.结果表明:多重激波是不稳定的,它趋向于发展成磁流体旋转间断和MHD波,左旋圆偏振波逐渐在上游区内发展起来.文章对导致多重激波不稳定性的可能原因进行了简单的讨论.