喷管型面对固体火箭发动机性能的影响

用时间相关法数值计算跨音速喷管流动时,其控制方程分别采用守恒型和非守恒型方程.通过对JPL喷管进行计算发现:在相同的精度下,非守恒型方程的收敛速度比守恒型方程的收敛速度快一倍多.采用修正阻尼法(DASHCO法)进行数值计算,其收敛速度均提高六倍以上.最后,采用直接优化法研究了喷管收敛段型面及喉部型面对发动机性能的影响.     

喷管跨声速流场计算

本文用时间相关法求解定常跨声速喷管流场。对守恒型和非守恒型方程采用全场统一时间步长、当地时间步长和修正超阻尼法进行了计算。计算表明:采用当地时间步长可大大提高收敛速度,采用全场统一时间步长时,数值解非守恒型方程收敛较快;采用修正超阻尼法也能提高收敛速度,但与阻尼系数和时间间隔有关。     

二元喷管跨音速流场的数值计算

本采用有限体积法进行空间离散，Runge-Kutta法进行时间推进的办法，通过求解Euler方程来模拟二元收敛－扩散喷管跨音速流场。运用隐式残差平均技术和当地时间步长法加速计算收敛。为了消除气流参数的波动和激波前后的振荡，在方程中添加了自适应耗散项。在100个时间步以内便可获得稳态解，计算结果与试验数据和其他数值方法吻合良好。     

二元喷管无粘流的有限体积法分析

本介绍了一种计算收敛－扩散喷管内流特性的有限体积法，它将求解域分成许多有限体积单元，将欧拉方程在小体积单元上积分，从而得到半离散方程，然后采用Mac Cormack格式进行时间推进，求得定常解。计算结果与试验值吻合良好，是一种有效的计算具有喉道小曲率半径不连续的收敛－扩散喷管特性的方法。     

跨音速低展弦比轴流风扇转子内部流场的数值研究

采用三维雷诺平均Ｎ－Ｓ方程程序求解跨音速压气机风扇转子内部流场。这个程序采用有限体积显式时间推进方法求解控制方程,方程自变量选取在控制体顶点,采用简单的Ｈ型网格离散方程,离散后的代数方程用两步Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ法进行时间推进求解,使用多重网格和当地时间步长方法加速计算收敛。程序中使用了Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型模拟湍流影响。用该方法计算了ＮＡＳＡ６７＃跨音速风扇转子的性能曲线,并重点计算最高效率点工况下内部流场。计算结果与实验结果的比较,证明该法可以用来模拟跨音速风扇转子内部流动。     

多重网格加速的LUSGS算法用于喷管流场数值模拟

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;采用独特的显式算法克服了两方程湍流模型刚性对流场计算收敛速度的影响,并给出了该方法的理论依据。通过轴对称喷管内流场、二元喷管内外流场的数值模拟验证了采用以上方法在计算效率上的提高。最后将RNG模型计算结果与SA模型计算结果及实验数据做对比分析。     

双时间法求解大迎角翼型绕流非定常N-S方程

本文采用双时间推进法、顶点格式有限体积法求解非定常ＮＳ方程、应用多层网格技术计算了ＮＡＣＡ００１２翼型大迎角振荡绕流,并对伪时间推进收敛精度,物理时间步长,多层网格迭代方式等对计算结果与计算ＣＰＵ时间的影响进行了讨论,另外还讨论了采用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ湍流模型时用固定转捩或全湍流模式对计算结果的影响,并与实验结果进行了比较。     

翼型跨音速小扰动势流-边界层计算

翼型绕流的外部无粘流,采用跨音速小扰动速势方程和改进小扰动速势方程对三种差分格式进行对比计算:(1)Murman-Cole非守恒式;(2)守恒式;(3)Engquist-Osher式。在相同的初值条件下,它们的计算稳定性、收敛性和收敛解基本相同,但激波位置(1)在前,(2)在后,(3)在中间。对人工时间阻尼项εφ_(xt)的作用进行了线化分析,所得结论与数值实验结果相符。二级精度格式计算表明:采用这种方案能在几乎不增加计算机时的前提下,大大提高差分计算精度。本文最后采用边界层积分方程法,计算翼型边界层,并与势流进行迭代计算。在弱激波条件下,迭代收敛解与实验值接近。     

有限体积时间推进法在跨音速扩压器湍流流场中的应用

本文提出了一种有限体积时间推进法,将其应用于均化N-S方程的求解,模拟跨音扩压器的湍流流场,并采用空间变时间步长和多重网格技术加快收敛速度。计算结果与有关文献的实验数据吻合良好。     

时间相关法计算喷管跨音速流动

本文用时间相关法完成了定常、无粘跨音速喷管流场的计算,内部点参数用Mac Cormack差分格式计算、壁边界点参数用简化了的特征边界条件计算,轴上点参数用反射原理计算。计算表明:计算是收敛的,计算结果与实验数据符合良好。 定常、无粘、跨音速喷管流动的控制方程是混合型的(即在亚音速区域是椭圆型,而在超音速区是双曲型的),给数值求解带来很大的困难。为了克服这一困难,广泛采用时间相关法,即认为定常流动方程的解是相应的非定常流方程的解在时间趋于无穷时的渐近解。因为非定常流的控制方程不论在亚音速区,还是在超音速区域,都是双曲型的,可以用统一的方法来求解,而且易于求解;另一方面,它可适用于形状比较复杂的喷管。 本文首先阐述了时间相关法的计算方法,然后列出算例喷管的计算结果。通过与实验数据的比较,证明计算是符合实际的。     

跨音速喷管流动的数值模拟

数值方法采用的差分格式是具有高分辨率和快速稳定收敛性质的全变差衰减(TVD)格式。喷管壁面形状和反压可任意给定,对于典型轴对称与二维喷管(即壁面由收缩角为45°,扩张角为15°的两条直线用圆弧光滑连接而成。圆弧的无量纲半径等于0.625,其参考长度为喉道半宽),进行了有激波与无激波流动的数值模拟。计算结果与实验结果以及其他计算结果符合良好,此法可推广到非定常跨音速喷管流动的计算,并可用于工程中喷管设计。     

两种气动推力矢量技术的数值模拟研究

对两种收扩喷管推力矢量控制技术:激波矢量控制技术和喉部偏移控制技术,进行了流场计算和性能比较。本研究中,喷管进口至喉部几何型面固定,扩张段长度为定值,二次流喷射位置、角度保持不变,采用CFD数值模拟方法计算喷管膨胀比不同时的流场。从计算结果可以看出,喉部偏移控制技术适用于膨胀比小于1.5的收扩喷管,而激波矢量控制技术适用于膨胀比大于1.5的收扩喷管。喉部偏移控制技术的特点在于其可以限制喷管主流流量,影响主、次流流量比的主要因素为二次流与主流的总压比。     

辅助活门对串联TBCC排气系统的影响研究

在低落压比状态下,对有无辅助活门的两种串联式TBCC组合喷管开展了数值模拟计算,并对包含辅助活门的串联式组合喷管进行了实验研究,通过分析其壁面沿程压力分布与波系结构的变化情况,探究辅助活门对串联式组合喷管气动性能的影响。结果表明：辅助活门结构减少主流喷管外壁面的流动分离区范围,有效的提高了组合喷管内推力。带辅助活门型组合喷管能够引射环境气流,减少引射喷管壁面的回流区范围与底部阻力,从而减少推力损失,提升组合喷管整体性能。提高次流压比或降低主流压比,主流喷管出口处欠膨胀程度降低,声速线往下游方向移动,主流流量减少。提高主流压比或者次流压比都能使辅助活门引射环境气流量增加。辅助活门进气通道距离会改变次流射流与引射喷管的相对位置,距离过小或过大都会造成引射环境流体流量减小。     

Calculation of tractive nozzle characteristics with altitude compensation

The numerical calculations of flows in conical and contoured nozzles with slots in the supersonic part that operate under overexpansion conditions are presented. The calculations were made with the aid of the authors’ algorithm and program of simulating turbulent two-dimensional (axisymmetric) flows of a viscous heat-conducting gas. The results of computational investigations of tractive slot nozzle characteristics and the amount of combustion product leakage from an annular slot depending on the flight altitude are given. It is shown that the flight altitude at which the gas flow through the annular slot is “chocked” depends on its size and location in the supersonic nozzle part.     

加遮挡罩二元喷管红外辐射特性数值研究

采用计算流体动力学/红外辐射数值计算方法,针对涡扇发动机排气系统,研究了宽高比为3.33的圆转矩形二元喷管尾缘加装遮挡罩以及遮挡罩夹层通道注入冷却气流对红外辐射特性的影响.研究参数范围内的结果表明:遮挡罩内引射或强迫注气的冷却气流对喷流有进一步混合的作用,加装遮挡罩后喷流的红外辐射强度相对于单纯的二元喷管有一定幅度的降低;随着冷却气流流量的增大,二元喷管尾缘内壁面的温度降低效果越显著,有效地利用喷管的引射作用,可以取得良好的红外抑制效果;只有在喷管内壁面红外辐射占主导的探测范围内,加装遮挡罩抑制二元喷管红外辐射的作用才能得到体现.      

火箭发动机塞式喷管流场的数值研究

用时间相关法和张涵信的无振荡、无自由参数ＮＮＤ显式格式,对火箭发动机塞式喷管二维轴对称定常流场进行了数值模拟。计算得到了有粘和无粘中两种情况下,喷管流场的马赫数压强、温度、流线以及速度矢量分布图,计算网络采用代数方法生成,并通过求解Ｌａｐａｃｅ方程对网格进行修正。计算结果表明：ＮＮＤ格式用于计算塞式喷管流场具有较高的效率和良好的分辨率;无粘和有粘情况得到的流场结构有较大的差别;基础喷管的出口马赫数     

超声速短化喷管的设计与实验研究

利用Bézier曲线构造轴向马赫数分布,采用特征线方法计算喷管壁面型线,结合跨声速理论,提出了一种实用的短化喷管设计方法。对设计制成的喷管进行流场校测,并与数值模拟的结果进行比较分析,结果表明:喷管内部膨胀均匀,出口流场品质很好,可用于超声速风洞以及其它对流场品质有较高要求的应用场合。     

考虑进口非均匀的喷管设计及冷流条件下的性能研究

超燃冲压发动机尾喷管与燃烧室直接相连,由于没有几何喉道和收缩段的整流作用,实际工作过程中尾喷管的进口气流是非均匀的,因而有必要研究非均匀进口条件下的尾喷管设计方法。以超燃冲压发动机尾喷管非均匀进口马赫数分布为条件,采用有旋特征线设计了超燃冲压发动机非对称尾喷管的等熵膨胀型线。利用数值模拟和试验相结合的方法研究了冷流条件下喷管的气动性能。结果表明,在相同的进口条件下,相对于假定进口马赫数均匀分布设计得到的喷管,考虑进口马赫数非均匀分布设计的喷管推力增加0.6%~2.0%,负升力降低可达82.0%,俯仰力矩增加8.6%~13.0%,这说明在喷管的设计过程中考虑进口参数分布的非均匀性是有必要的。     

固体火箭发动机喷管壁窜火故障的试验研究

针对某大型固体火箭发动机在试车中后期出现的喷管后侧持续冒小火和试车后期出现的喷管扩散段前部窜火故障，进行了模拟试验。结果表明：如果在喷管扩散段的中、后部壁上有侧孔（此孔无论是烧穿形成，或其他原因形成），并在侧孔处有阻挡气流的物件，使该处的气流局部滞止，即能造成喷管后部侧孔窜火。发动机喷管经常出现的扩散段前段窜火，则是由于喉面下游壁厚烧薄到一定程度，当地的静压就能使火苗窜出。     

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。