固体火箭发动机真实流体输运系数的自动模拟

为缩短固体火箭发动机的研究周期、降低研究成本和揭示工作机理,需要对其工作过程进行三维数值仿真,但数值计算中许多物性参数如输运系数的确定存在困难,为此主要研究了适合于固体火箭发动机内高温高压下的多组分混合物输运系数的计算方法,并通过高级计算机语言管理数据库等方法实现自动计算,可准确快速地计算发动机内流过程中输运系数的变化,为真实模拟发动机的工作过程提供正确的物性参数。     

超临界压力下碳氢燃料裂解与流动传热模拟的快速算法

为了快速预测发动机冷却通道内碳氢燃料在考虑热裂解时的流动传热特性,基于正癸烷热裂解反应机理,建立了一套模拟正癸烷裂解吸热和超临界压力传热现象的快速算法。采用三维物性库查表算法计算裂解反应混合物的热物性,同时对组分输运方程进行简化,简化后只需求解1个组分输运方程。通过与现有的实验和数值结果进行比较,检验了快速算法的计算效率和可靠性。结果表明,快速算法与求解全组分输运方程的算法精度相当,但计算效率提升了约20倍。最后采用该算法对三维矩形截面冷却通道内的超临界压力正癸烷裂解与传热过程进行数值模拟,进一步考察了本文快速算法的计算精度及其工程应用价值。     

化学氧碘激光(COIL)三维混合反应流场数值模拟研究

通过求解层流Navier-Stokes方程和组分输运方程,数值模拟了化学氧碘激光(COIL)三维扩压器和光腔中10组分21反应的内流流场,计算中没有考虑水蒸气在低温下的冷凝以及激光能量的输出。通过与国外文献计算结果比较可知,物性系数、化学反应速率常数、边界条件处理等对组分浓度影响较大,缺乏这些数据库将会影响计算结果。计算表明,三维副流射流基本穿透主流到达中心线,主副流混合较强,激发态粒子高浓度区主要在中心线附近,因此,也只有在中心线附近有较强的小信号增益系数,进一步研究混合增强技术可以提高原材料的使用效率以及激光的出光功率。本研究可为强激光武器系统之新型压力恢复系统的设计提供技术储备。     

关于混合气体输运系数计算方案的影响研究

为了研究混合气体分子输运系数的不同近似计算方案对边界层及射流剪切层流场计算的影响,以含双方程k-ωSST湍流模式的质量平均Navier-Stokes方程为控制方程,分别采用两种计算方案:公式计算混合气体导热系数、扩散系数的直接计算方案和由普朗特数和施密特数等关联混合气体导热系数、扩散系数的关联计算方案,对Burrow和Kurkov实验流场进行了数值模拟。结果表明:与采用直接计算方案相比,采用关联计算方案,流场数值模拟在获得相当的计算结果的同时,大大降低了计算量;抛开与控制方程的相容性问题,混合气体扩散系数各直接计算方案对流场参数计算影响不明显;在湍流计算时,边界层/剪切层区域的混合气体湍流输运系数大于分子输运系数,由此弱化了混合气体分子输运系数不同的近似计算方案对流场数值模拟的影响;相对输运系数近似计算方案,湍流可压缩修正模型对组分剖面的影响更为明显。计算表明,在边界层近壁流场、剪切层流场以及层流流场的精细化数值模拟中,混合气体分子输运系数的计算方案有重要的影响。     

超燃冲压发动机燃烧室热力喉道的一种新型计算方法

为了研究超燃冲压发动机总体性能一维计算方法,采用一种新的热力喉道计算方法,由燃烧室出口开始沿上游依次进行声速截面假设,利用流量方程、能量方程及总静压方程计算出该截面所有一维参数,再利用解析方法,计算该假设截面的临界燃烧效率梯度,并由此给出热力喉道判断条件,求出热力喉道的位置。用该方法分别对马赫数3.5~6飞行条件下的发动机模型进行了计算,并与传统方法的计算结果进行对比,结果表明:该方法能够快速计算热力学喉道,具有良好的可行性,与传统方法之间的误差均在6%以内。     

火箭-冲压发动机和火箭发动机的热力计算

本文介绍火箭——冲压发动机和火箭发动机的热力计算方法。其中燃烧计算采用改进的怀特法,考虑了气相和凝相组分。平衡组分初值可以任意选取,没有负值组分修正问题。经过计算多种不同类型的贫氧推进剂,证明本方法计算可靠,收敛迅速、有较大的通用性。可在国产中小型计算机上实现火箭——冲压发动机和火箭发动机的热力计算。     

液态铝和三氧化二铝物性参数计算方法综述

含铝固体推进剂在燃烧过程中会产生铝液滴和三氧化二铝液滴,准确的铝和三氧化二铝液滴物性参数对发动机内燃烧、流动等多物理过程的精细化数值研究及工作性能的精确预测具有重要影响。为获得精确的物性参数,针对液态铝和三氧化二铝的密度、黏度、表面张力、导热系数及定压比热容等物性参数,综述国内外实验研究现状和不同温度下的计算方法,对比分析各实验和计算方法的精确度和适用性。结合固体发动机高温高压环境,提出了适用于发动机内铝和三氧化二铝液滴的物性参数计算方法。得到的物性参数计算关系式可为发动机内多物理过程的精细化研究提供参考。     

某型涡桨发动机气动热力仿真计算

文章计算了各气路部件之间的气动热力参数和总体性能参数大小,分析相互关系,进而对发动机的设计提供理论依据。针对某型涡桨发动机的气路结构进行了气动热力仿真计算研究,利用设计手册给定的发动机设计点主要工作参数数据进行气动热力仿真计算,对比计算得到的发动机总体性能参数数据与设计点给定的总体性能参数数据,验证了仿真计算算法的有效性以及准确性。针对气动热力仿真计算结果所产生的误差,初步分析并验证了算法优化需要考虑的部件特性的耦合系数以及引气对发动机性能的影响等因素。     

层板推力室再生冷却通道的传热特性分析

提出液体火箭发动机层板推力室再生冷却通道传热过程的数理模型。采用通用形式控制方程处理冷却剂紊流换热和通道材料导热的共轭传热问题，计算采用LVEL紊流模型，并考虑冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的变化及层板材料热物性随温度的变化。结果表明，采用大高宽比、小气壁厚度的通道设计，可显著提高再生冷却能力，降低室壁温度和温差。采用对流换热系数和热物性为常数的简化处理会引起很大误差。     

取样探针流动参数对燃气组分误差影响的数值仿真

燃气组分精准取样是航空发动机燃烧室性能试验分析的关键因素。为了研究燃气取样探针在取样时带来的组分误差及其影响,在取样气体化学反应冻结的基础上,采用组分输运模型结合流固耦合传热的数值仿真方法,构建了3维探针多组分燃气流流动特性求解模型,分析了在不同余气系数下,由取样探针内部流动参数变化引起的燃气组分体积分数误差及其带来的燃烧效率误差影响。结果表明：探针流动参数变化会引起2%以上的相对取样误差。当余气系数为1.14时,CO₂相对取样误差为2.35%,CO相对取样误差为2.34%;当余气系数为2.06时,CO₂相对取样误差为2.04%。在低余气系数环境下取样时,燃气组分取样精度降低,取样误差对燃烧效率误差的影响超过0.1%;随着余气系数的提高,燃气组分取样精度提高,不完全燃烧产物减少,此时取样误差对燃烧效率误差影响可以忽略。     

反应机理对air/H2燃烧系统多场耦合仿真的适用性

针对某air/H2燃烧系统,建立起流动、传热、燃烧多场耦合有限体积动态数值模型,构建了通用化的反应机理库和配套的物性参数库,分别采用热力计算方法和3套氢氧反应机理方法进行仿真;基于反应机理的仿真描述了点火与熄火过程,揭示了各基元反应和组分变化对燃烧流动瞬态过程的影响。与已经过试验验证的热力计算方法对比,结果表明:Williams机理符合最好,Conaire机理次之,Evans机理符合相对较差。相比Conaire机理,采用Williams反应机理使反应熄火温度由1200K降低至1155.3K,在1222.3K的低温工况下,计算结果误差由Conaire机理的4.7%降低至2.74%,使多场耦合数值系统的应用范围更广、计算结果更佳;低温工况下,H2O2及其相关反应对氢氧机理的描述精度会产生较大影响。      

传热对叶尖间隙的影响

分析了影响叶尖间隙的诸因素，提出了计算瞬变状态下叶尖间隙变化的方法，并以某发动机为例，计算出一级压气机在不同工况下的隙量，给出间隙随时间变化的曲线图。     

考虑材料物理参数为随机量时可靠度的计算

本文主要考虑了材料物理参数为随机量时 ,利用随机有限元及 H- L方法对定向结晶涡轮叶片进行可靠度计算。计算方法收敛 ,说明本方法可行。从计算结果表明 ,物理参数为随机量时 (相对于外载及材料机械性能为随机量时 )对破坏概率影响较小     

旋涡内流计算

本文采用涡量-向量势表示的不可压缩三维流动的基本方程及其边界条件。针对小曲率弯管流,忽略主流方向的扩散项而使基本方程抛物化并利用流量守恒条件确定轴向压力分布。为避免横向速度向量散度不为零所带来的麻烦,本文提出两种计算方案。计算结果证明:用于求解三维抛物化方程组的这两种方案都是方便可行的。     

斜切反喷管性能计算

本文提出了斜切反喷管流场计算方法,内部点用MacCormack二步显格式数值解控制方程,入口边界和固壁边界的参数用物理边界条件和可应用的沿双特征线的相容性方程计算.固壁边界计算中采用了激波装配技术和开关格式,有效地捕获了流场内的激波系列,计算中得到的激波情况和物理分析一致.本文在流场计算的基础上,进行了反喷管的性能计算.本文提出的方法可应用于反喷管的性能预估.     

双模态超燃燃烧室计算

选择了固定几何流通截面的双模态超燃燃烧室模型,采用气动热力调节的方法（即调节燃料喷射方式和燃烧速率）来实现双模态、宽马赫范围工作。在计算中用一维、定比热容方法分析了相关参数对燃烧室模态转变、性能的影响和隔离段与燃烧室的相互作用。计算结果表明,气动热力调节实现燃烧室内燃烧模态的转变是可行的。     

连续爆轰发动机热力学性质的数值模拟

在二维圆柱腔中连续爆轰发动机数值模拟的基础上,对喷入流场中的粒子进行跟踪,得到经历不同燃烧过程的粒子轨迹图.分析影响粒子轨迹及其上物理参量变化的主要因素.数值模拟得到相应的示功图和示热图,计算连续爆轰发动机的机械功及热效率,将数值模拟结果与理想ZND(Zeldovich-Neumann-Doring)模型进行定性和定量的比较,所得数值模拟结果与理论结果符合 得很好,验证了连续爆轰发动机的优势.      

Theoretical investigation on water/metal fuel ramjet motor-thermodynamic cycle and thermodynamic calculation

For achieving high-speed requirement of underwater vehicle,a conceptual engine,which utilizes the hydroreactive characteristic of several metals under supercavitation environment,has been put forward. Especially,in order to obtain specific impulse as great as possible,a dual water injection system is taken into account. Then thermodynamic cycle model,which lead the improvement of power plant and energy system,is introduced in detail,and thermal efficiency is also analyzed. Furthermore,for investigating the performance of this kind of engine system,detailed thermodynamic calculation and analysis are achieved. Especially,regarding hydroreactive metal fuel Mg/AP/HTPB as our target fuel-rich propellant,considering its obvious deficient oxygen property and the energy property of magnesium/water reaction,theoretical calculation method is established by integrating chemical non-equilibrium with chemical equilibrium. Accordingly,low limit of primary water/fuel ratio is determined. In addition,the qualitative and quantitative relationship of performance parameters,such as theoretical specific impulse,nozzle exit temperature,characteristic velocity,etc.,versus water/fuel ratio is investigated respectively.      

间冷回热循环航空发动机参数匹配研究

在常规大涵道比涡扇发动机热力循环基础上增加间冷过程和回热过程,发展了间冷回热循环航空发动机(IRA)的计算模型和相应的性能仿真程序.分析了采用间冷回热技术的分排大涵道比涡扇发动机的热力循环参数选择与匹配.结果表明:间冷度、回热度、外涵道间冷用气量、增压级和高压压气机压比分配、总增压比、涵道比等热力循环参数对IRA的性能有很大影响;合理应用间冷回热技术,并优化发动机热力循环参数匹配可以显著改善发动机的性能.      

含源流场流动相似参数推导及其物理意义

现有的相似参数能够较好地解决无源流动的动力学相似和热力学相似问题。然而,如果流场中存在质量、动量和能量等源项,则须引入新的相似参数来指导实验的设计。首先,在连续介质假设、斯托克斯流体假设、量热完全气体假设和单相流假设的前提下,推导出了41个相似参数;然后,将之归纳整理成9个独立的相似参数,其中,3个与源项有关;最后,讨论了它们各自的物理意义。现有的单相流相似参数均可通过9个相似参数组合而来。实际应用中,可根据具体流动情况选择这9个相似参数中的某几个进行模拟。