计算辐射冷却推力室不稳定温度场的隐式格式

导出了计算液体火箭发动机辐射冷却推力室不稳定温度场的隐式差分格式,并作了线性化处理。据此编制通用程序,可以计算任意辐射冷却推力室的不稳定温度场。     

固液混合火箭发动机燃烧室和喷管流动数值模拟

固液混合火箭发动机是采用液体作为氧化剂,固体作为燃料的一种典型的混合火箭发动机.固液混合火箭发动机中的燃烧和流动问题是固液混合火箭发动机设计中的关键问题,对固液混合火箭发动机的燃烧室和喷管进行一体化计算很有必要.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的燃烧室和喷管进行了一体化计算.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,采用有限速率化学反应模型,对化学源相进行了点隐式处理.计算中分别采用了一步化学反应模型和两步化学反应模型方案,计算了多个氧化剂流速和燃烧室压强下的燃烧室和喷管流场分布,对化学模型进行了选择,为固液混合火箭发动机的设计提供了依据.     

固体火箭发动机前封头人工脱粘层烧蚀研究

从理论分析的角度出发．通过对人工脱粘层和绝热层所构成的槽缝燃气温度场与烧蚀的耦合计算，得出了人工脱粘层的烧蚀规律。在计算中，采用了隐式差分格式及控制容积法等计算技术，并采用了先进的烧蚀模型。为模拟发动机静止与飞行两种不同状态，本文对不同宽度的槽缝人工脱粘层的烧蚀进行了计算，对其进行了比较。本文所采用的方法可供今后人工脱粘层的设计参考。     

具有翼柱型装药和潜入喷管的固体发动机内流场计算

本文对具有翼柱型装和潜入喷管的固体火箭发动机燃烧室后部三维流场及喷管三维跨音速流场进行了数值计算，并研究了管潜入比对燃烧后部流场结构的影响。数值计算中以Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ提出的隐式近似因式分解方法为基础，引入介隐式和四阶显式人工粘性，当地时间上海工，隐式残值光顺，稳定因子，分区算法等技术，求解三维薄层Ｎ－Ｓ方程，得出了一些可供ＳＲＭ设计参考的结果，也为ＳＲＭ燃烧室－喷管三维流动一体化计算打下     

用空间推进算法模拟高超声速进气道流场

在有限体积法框架下，采用空间推进算法SSPNS（Single-Sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）求解抛物化NS方程（即PNS方程），在流向采用LU—SGS隐式积分，而横向无粘和粘性通量则分别采用AUSM系列格式和中心格式计算。用该方法对1个二维高超声速进气道和2个三维高超声速进气道流场进行了数值模拟，得到的流场波系结构、壁面压力及传热系数分布与文献中相关数值解和实验数据基本一致，表明SSPNS法能够准确地模拟超燃冲发动机进气道内的高超声速流动。对比研究表明，SSPNS法与求解FNS（Full Navier＼lStokes Equations）方程的传统时间迭代法相比，二者计算精度相当，而SSPNS计算速度快1～2个量级，存储量至少低1个量级。本文的研究为CFD在超燃冲压发动机部件及一体化优化设计中的集成，以及大型高超声速工程流动的高效计算，打下了良好的基础。     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀质量损失计算

运用较完备的烧蚀模型，采用了动边界显式差分格式，对固体火箭发动机内绝热层的烧蚀及其温度场进行了耦合计算。计算得到烧蚀率、炭化率、烧蚀厚度和炭化厚度，以及根据绝热层的工作时间计算出内绝热层的质量损失及发动机工作完成后一段时间内后效炭化质量损失。采用该方法不仅能使内绝热层设计更为合理，而且为后效推力的研究打下了基础。     

液氧/煤油发动机换热器试车台配气系统设计

在液氧/煤油发动机研制试验过程中,需要对发动机的换热器进行试验验证,以此来满足发动机对换热器的要求。主要阐述了利用音速孔板控制以及计算气体流量的具体方法、理论计算,以及使用过程中所存在的问题和解决的方法。所设计的配气系统满足了液氧/煤油发动机换热器系统的试验要求。     

印刷电路板式氦加热器热力设计方法与性能

印刷电路板换热器作为一种新型的微通道换热器,具有紧凑高效、耐温耐压、可模块化等优势,在火箭发动机中具有很好的应用前景,但目前将印刷电路板换热器应用于火箭发动机的研究很少。对火箭发动机氦加热器提出了印刷电路板换热器的设计思路,开发了热力设计程序,并对其进行了数值模拟。结果表明：印刷电路板式氦加热器芯体具有较小的体积和质量,冷热侧温降的模拟值与计算值最大相对误差为1.33%,冷热侧压降的模拟值与计算值之间的最大相对误差为18.51%,证明了所开发的分段热力设计方法用于印刷电路板式氦加热器具有较高的准确性。氦加热器的冷端换热能力最强,热侧流体流动更加剧烈,换热能力更强,但同时也有更大的压降。     

跨声速喷管化学反应流数值模拟

火箭发动机工作是极复杂的物理化学过程，在喷管内气体的为三维、多相、粘怀、化学反应、跨声速流动。预估发动机的性能时，不仅要计算多相流损失、粘性、扩散损失，还要计算由于化学反应引起的化学动力学损失等，这就要对喷管内的各种流动现象作仔细的计算分析。本文采用Ｎａｋａｈａｓｈｉ半隐格式，用时间相关法计算了一维和轴对称喷管跨声速化学反应非平衡流场，得到了正确合理的结果，在跨声速喷管化学反应流仿真计算上作了初步     

基于预处理的非稳态流场计算方法

采用预处理方法可提高Navier-Stokes方程或Eu ler方程计算低马赫数流场的准确度和收敛性能。采用双时间步和预处理相结合的方法计算非稳态流场,保证了采用预处理方法后计算结果的时间精确性。在每一物理时间步,控制方程虚拟时间导数项采用LU隐式时间格式,对流通量采用AUSM 和MUSCL格式进行求解。通过对前台阶流和圆柱绕流的计算,验证了该方法的广泛适用性和计算结果的可靠性。     

预冷组合发动机中微通道换热器的仿真分析

建立了预冷组合循环发动机(SABRE)的氢/氦微通道换热器数学模型,进行换热特性的仿真分析。计算结果表明:仿真分析的结果与文献数据误差在10%以内,并通过对换热通道几何尺寸的相似变换,获得了微通道特征几何参数随雷诺数的响应曲线,以及氢/氦微通道换热器在特征工况条件下的特性变化规律。     

换热器镀层工艺研究

通过理论分析和工艺试验等方式,探索了由性能差异较大的不同材料组成的换热器选择性电镀工艺方法.采用局部遮蔽、浸蚀溶液的选择、预镀工艺的确定等方式,保证了组合件上各型面、各材料上的镀层质量,换热器上局部镀覆层既满足钎焊性,同时又满足高温抗氧化性的功能要求,并顺利完成了钎焊和热试车.本研究成果已在多个结构复杂的换热器上得到推...     

组合发动机微细通道氦加热器设计与流动换热

氦加热器是预冷组合发动机中重要的换热器之一,其原理是利用燃气燃烧的热量提高氦气做功能力,进而提升整个循环系统运行效率。研究中首先设计了蛇形管式、瓦片式、辐射式三种微细通道氦加热器。其次,基于FLUENT15.0软件对微细通道氦加热器管内外的对流换热系数和流动阻力进行了研究。对比模拟结果和经典关联式的计算结果,确定了适用于微细通道氦加热器管内外换热和流阻的关联式。结果表明:对于管内流动换热,经典关联式预测准确,平均误差小于8%。对于管外流动换热,经典关联式对流阻的预测依然准确,但是对换热系数的预测有较大偏差,最大偏差接近50%。基于数值模拟结果拟合了新的微细通道氦加热器管外对流换热关联式,平均误差小于5%。此外,对比分析发现蛇形管式微细通道氦加热器对流换热系数最大,综合性能最优。     

高温高压下的燃气／空气热管换热方案

以高温高压燃气加热高压纯空气为研究背景,用平均温差法对气-气热管换热器设计计算,进行结构方案设计,采用有效度-传热单元数法对换热器传热进行校核计算。设计换热器为圆柱形筒壁结构,出口为渐缩型喷管结构,采用半轴比为2／1的椭圆形热管。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

二维非结构网格Euler方程的LU-SGS算法

研究了将二维非结构三角形网格重新排序后，用LU-SGS隐式算法计算Euler方程的方法。分析了网格不平衡情况下该方法的可行性和应用效果。计算了不同翼型在不同流动条件下的二维Euler方程，并与四步Runge-Kutta显式方法进行了比较，结果验证了此方法具有良好的计算和收敛效果，以及在粘性计算方面的潜力。运用此方法对某预研型号的头部外形进行了设计和选择。该方法克服了以往隐式方法大量耗费内存的弱点，达到了计算耗时短和占用内存少的统一。     

Test results of the air turbo ramjet for a future space plane

The Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) has been engaged in the development study on the Air Turbo Ramjet (ATR) engine since 1986 in cooperation with the Ishikawajima Harima Heavy Industries Co. Ltd (IHI). The ATR is one of the most preferable candidates for the propulsion system of a future space plane. Our ATR engine is a combined cycle air breathing propulsion system which consists of the turbojet and the fan boosted ramjet using the liquid hydrogen as a fuel. This engine system was named “ATREX” after employing the expander cycle. The ATREX is energized by thermal energy extracted regeneratively in both the pre-cooler installed in the air intake and the heat exchanger in combustion chamber. The ATREX works in the flight condition from sea level static up to Mach 6 at 35 km altitude. The ATREX employs the tip turbine configuration for compactness of turbo machinery. We are assessing the feasibility of the ATREX system by the sea level static tests using the 1/4-scale model (ATREX-500) with a fan inlet diameter of 300 mm and overall length of 2120 mm. In 1990, the ATREX-500 engine was tested in a sea level static condition to verify the performance characteristics of the turbo machinery and the combustor. In September of 1991, the heat exchanger was installed in the combustion chamber and tested independently from the turbo system. In November of 1991, the heat exchanger was coupled with the turbo system and tested to verify the overall system of the ATREX. In this paper are presented the test results of the ATREX-500 engine tested in the sea level static condition.     

辐射换热条件下空间薄壁圆管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对航天结构中常见的辐射换热条件下的空间薄壁圆管结构，构造了一种用于非线性瞬态温度计算的傅立叶－有限单元。圆管温度沿杆长用有限元离散，沿周向分布展成三角函数。圆管温度单元每个结点包含平均温度、余弦和正弦分布温度幅三个自由度，并且在每个时间步内实现了平均温度增量与沿截面温差增量的解耦。在结构热变形分析时圆管单元节点上既承受温度轴力，又承受截面温差导致的热弯矩。采用这种单元对非线性换热条件下的复杂空间结构进行离散可以较准确地反映结构的温度场与热变形。经与前人的解析解和三维有限元结果的验证，证明该单元是可靠的。对太阳能帆板梁与空间抛物面天线的热－结构分析说明这种新单元的应用价值。     

结合TEC的泵驱两相温控系统的空间应用

为满足天舟一号货运飞船(T Z1)蒸发冷凝科学实验的控温需求，采用半导体制冷片(TEC)和泵驱两相回路结合的控温系统实现了冷凝台-5~40 ℃(±0.2 ℃)的控温要求。对TEC和平行流换热器进行了研究，结果表明该系统能够满足环境温度等于30 ℃工况下的制冷和散热要求。测试结果表明，平行流换热器在地面和在轨的换热相当，说明重力的影响几乎可以忽略。