单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

近地点变轨发动机高空喷管性能预示研究

对长征－2E火箭近地点变轨发动机EPKM高空喷管的地面性能和高空性能进行了预示。在喷管跨声速区，气相采用显式MacCormack差分格式、颗粒相采用特征线法，而在喷管超声速区采用特征线法，数值求解轴对称二维无粘两相流动模型。结合喷管内的气流分离准则预测发动机地面工作时的性能，同时根据地面试验数据外推发动机的高空性能，与实测性能数据比较，平均推力相对误差约为5.6%和1.5%左右；而直接对发动机高空工作时的满流状态喷管进行数值模拟所得的发动机平均推力与实测性能数据比较相对误差约为1.7％左右。研究表明，所采用的流动模型、气流分离准则和数值方法对高空喷管不同工况下的性能进行工程预示是有效的。     

非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。     

过膨胀状态下轴对称收-扩喷管内外流场计算及分析

轴对称收-扩喷管在过膨胀状态下工作时, 喷管内部将产生强烈的激波以及附面层分离, 流态非常复杂.计算实践表明, 应用广泛采用的重整化群(RNG)k-ε湍流模型, 并结合标准壁面函数对其进行数值模拟时, 误差较大.针对标准壁面函数的不足, 采用增强型壁面函数处理固体壁面附近的流动, 对轴对称收-扩喷管的内外流场进行了数值模拟, 并与试验数据进行了分析比较.结果表明:增强型壁面函数更加适合处理此类存在强逆压梯度导致附面层分离的问题.      

过膨胀状态下单边膨胀喷管内壁面压力非定常特性试验研究

为获得单边膨胀喷管(SERN)过膨胀状态下壁面压力非定常特性,在喷管落压比(NPR)为7.54和9.98两种状态下,采用动态压力传感器对SERN壁面压力进行试验测量,并结合聚焦纹影观测流场。结果表明:在两种落压比条件下,喷管下壁面分离模态均为自由激波分离(FSS);NPR=7.54条件下,喷管上壁面分离模态为受限激波分离(RSS);而在NPR=9.98条件下,喷管上壁面分离剪切层间歇性地撞击喷管壁面,导致喷管出口附近壁面压力间歇性的高于环境压力,流动分离模态为部分受限激波分离(pRSS)。不同分离模态下,上游未受扰动区域壁面压力脉动主频均接近于6kHz,喷管内流动分离点呈现宽低频振荡特性。RSS模态下,分离点附近壁面压力脉动具有相对独立主频,而在FSS和pRSS模态下无明显独立主频。     

液体火箭发动机喷管流动特性及高度补偿研究进展

喷管作为液体火箭发动机产生推力的重要组件之一,其内部存在的复杂流动现象对发动机性能具有重要影响,本文综述了该领域的相关研究进展。传统喷管在过膨胀状态下会产生自由激波和受限激波两种分离模式,其非定常、非对称性给发动机带来严重的侧向载荷,也造成流动预测较为困难。采用凹坑或涡轮废气主动射流等方式能够避免受限激波分离的出现,抑制侧向载荷,但却无法对喷管损失的性能进行有效补偿。通过对传统喷管的创新设计,高度补偿喷管不仅能够有效控制管内流动,还能在不同程度上提升发动机性能。然而,高度补偿喷管形式众多、各有所长,工程应用应谨慎决策。此外,各种形式的高度补偿喷管内仍旧存在激波/边界层干扰、分离、回流等不利的流动现象,亟待对其开展深入研究。     

非对称喷管超声速流场的PIV实验与数值模拟

选取了跟随性能以及散射性能都上佳的二氧化钛粒子,利用了粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同落压比下的非对称喷管(single expansion ramp nozzle,SERN)流场进行了测量,成功获取了相应流动结构,以及沿程上壁面压力分布和速度场等.在测得的图像中,可以清晰地观察到由于过膨胀产生的激波与膨胀波系,并进一步获得出口速度分布.运用计算流体动力学数值模拟方法,对实验状态下的非对称喷管进行了模拟.对比结果发现:PIV实验测得流场结构能很好地与其吻合,这互相验证了CFD计算和PIV实验的正确性及可靠性.      

环喉型圆锥塞式喷管的水下流动分离特性

将塞式喷管概念扩展到水下固体火箭发动机应用领域,为了研究高背压环境下塞式喷管的水下流动分离特性,建立水下塞式喷管流动分析模型,并采用流体体积法(VOF)两相流模型对设计马赫数2.0的环喉型圆锥塞式喷管水下工作时的过膨胀流场进行了气/水耦合数值模拟,计算考虑了气体的压缩性和粘性。计算结果显示:圆锥塞式喷管在水下的过膨胀流动也存在间歇性的颈缩、胀鼓以及回击等不稳定现象;与空气环境下的工作条件不同,气/水界面表现出类似于壁面的约束作用,塞锥外流场形成的波系结构由塞锥壁面和内喷管出口下游气/水界面共同决定;水下超声速气体射流的不稳定振荡引起喷管出口背压和气/水界面的脉动,塞锥表面的分离流场随射流的振荡而变化,根据流场激波结构以及塞锥表面分离特征的不同,可以区分为5种不同的分离流动形态;塞式喷管在水下和空气环境下的分离流动振荡的驱动机理不同,水下分离流场的振荡主要受气/液两相相互作用诱导的射流振荡过程的影响,分离流场附近壁面压强振荡频率覆盖0~1000Hz范围内的较宽频带,且没有显著的特征频率。     

火箭发动机喷管非定常侧向力和流固耦合研究进展

为了提高现代火箭的运载性能,发动机趋于采用大面积比喷管。然而,大面积比喷管由于低空高背压会产生过膨胀现象,导致喷管内部流动分离的非定常和非对称特性,并且发生显著的侧向载荷问题,巨大的侧向载荷又引起喷管的流固耦合现象。总结了喷管流动分离的研究现状,阐述了不同时期喷管侧向载荷的研究目标及成果,并分析了引起喷管侧向载荷的因素。在侧向载荷分析基础上,进一步分析了喷管流固耦合问题的研究进展及方法,最后指出了所存在的科学问题,剖析了喷管侧向载荷设计的关键力学问题,并对今后喷管侧向力问题的研究方向提出了设想。     

高超声速推进系统用单膨胀斜面喷管型面设计和流场模拟

基于特征线法,并考虑变比热的影响,开展了高超声速飞行器用单膨胀斜面喷管设计。利用CFD数值模拟技术,计算得到了设计状态和沿飞行轨迹其它飞行状态下的单膨胀斜面喷管内外流场和特性。结果表明,在设计状态马赫数5时,基于特征线法得到的单膨胀斜面喷管内流场分布符合设计要求,而在其它较低的飞行马赫数下,单膨胀斜面喷管处于过膨胀状态,并且过膨胀的程度随飞行马赫数的降低而愈加严重。在马赫数2.5时,喷管膨胀面气流已发生明显分离,喷管性能急剧恶化。为了提高低马赫数条件下单膨胀斜面喷管的性能,采用变几何结构(调节下斜板角度)或基于二次流控制的单膨胀斜面喷管是必须的。     

抛物线喷管型面参数对流动分离影响的数值模拟

为了研究抛物线喷管型面的3个参数——初始膨胀圆弧半径、入口角和出口角的变化对喷管流动分离过程的影响规律，模拟了不同参数组合下的抛物线喷管流场参数，获得了喷管流动位置、分离模态随集气室压强增加的变化过程.结果表明:这3个参数能够影响发动机起动过程中喷管流场的发展过程.在一定范围内分离模态转换喷管压比（NPR）与初始膨胀圆弧半径呈正相关；通过合理设定入口角和出口角，可以推迟和缩短受限激波分离过程，为解决彭冠侧向载荷问题提供了可能的方向.      

发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷试验

为了获得大面积比喷管在发动机起动/关机过程中的侧向载荷，搭建了喷管侧向载荷冷流试验系统，通过测量应变管感知的喷管侧向载荷和通过加速度传感器感知的喷管振动载荷，分析发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷的变化规律。试验表明:试验喷管在发动机起动/关机过程中均存在3个峰值侧向载荷，起动过程中分别对应着初始正激波向稳定自由激波分离的转变过程、自由激波分离向受限激波分离的转变过程以及分离激波结构处于“末端振动状态”，关机过程则恰好相反，而且关机过程相对起动过程的峰值侧向载荷发生压比存在一定的迟滞效应；喷管壁面的周向应变对侧向载荷非常敏感，而壁面轴向应变却基本不受喷管侧向载荷的影响；喷管侧向载荷是激励喷管振动的主导因素，并在试验喷管发生“末端振动效应”时，振动加速度峰值达到最大为80g。      

尾部二次喷流抑制喷管分离流动的数值研究

以某液体火箭喷管缩比模型为研究对象,分析了相应的流场形态和二次流喷嘴喷射角度、面积比及其工质总温等参数对喷管分离流动抑制效果的影响.结果表明:当采用二次流喷嘴时,喷管达到满流所需的入口总压下降了37.8%,随着喷嘴喷射角度由0°增至25°,喷管流动分离点位置向喉部推进约0.01m,抑制效果明显变差,而随着喷嘴工质总温由300K升至1500K,喷管流动分离点位置向出口推进约0.005m,抑制效果略有增强,喷嘴面积比在保证其不出现分离流动时对抑制效果没有影响,否则会使抑制效果变差.      

一种低空满流的大面积比液体火箭发动机喷管

针对传统大面积比液体火箭发动机喷管在低空过膨胀状态下易产生流动分离的问题,采用特征线法,基于最大推力喷管,对其扩张段后半部分型面进行了控制压力设计,以保证新生成的大面积比喷管（低空满流喷管）壁面压力不小于分离临界压力。而后通过仿真手段对设计方法进行了校验,并对低空满流喷管的性能进行了评估。结果表明：基于最大推力喷管型面的控制压力设计方法能够实现预定的设计目标,生成的型面不仅保证了喷管在海平面条件下处于满流状态,还使得喷管对燃烧室压力脉动具备了一定的抵抗能力。当燃烧室压力为8.5MPa、燃气比热比为1.144时,相较于将要产生分离的面积比为40的最大推力喷管,低空满流喷管能够将面积比增加至60,从而提高真空比冲约5.24s。而相比于面积比为60的最大推力喷管,等面积比的低空满流喷管真空比冲损失约为1.57s。     

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。     

火箭级间热分离初始阶段流场的数值模拟

针对多级火箭级间热分离这一复杂环境条件下的级间段流场进行了数值研究。计算采用AUSM 有限体积格式,针对相应的流场假设,分别求解了非定常轴对称和非定常三维Faver平均的Navier-Stokes方程。两种计算结果的比较表明,由级间排气口的分布而引起的三维效应主要集中在喷管与火箭外壳所围成的空腔内部,而喷管内部由于流速很高,排气口带来的三维效应对管内上游流动影响很小。计算结果可为级间分离段和发动机热防护的设计提供参考。     

喷管分离流动与侧向载荷定常数值模拟

利用商业CFD软件,进行了三维、有粘、定常计算,模拟了某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动.计算了多个不同入口总压下的工况.其结果预示了该喷管的分离流动在不同入口总压下的激波模态变化,并获得了非对称分离及其造成的侧向载荷的分布情况.计算为进一步相关研究打下了基础.      

无源腔结构对大膨胀比单膨胀斜面喷管的影响

开展了基于无源腔的单膨胀斜面喷管(SERN)流动控制方法研究,采用标准k-ε两方程湍流模型,通过求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,数值研究了过膨胀状态下无源腔结构对SERN内部流场和性能的影响.计算结果表明:与原型SERN相比,落压比为8时,无源腔结构的存在促进SERN上膨胀斜面流动的分离,改变SERN内部流场结构,影响SERN上膨胀斜面压力分布,从而使SERN的轴向推力系数提高1.75%,同时不会带来低头力矩的恶化.在落压比为3~13范围内,无源腔结构的存在促进了无源腔附近附面层流动分离,减少了SERN内激波串数目,并使SERN上膨胀斜面压力峰值增加,提高SERN轴向推力系数.