面向降落伞高空开伞的充气式钝锥阻力体气动构型仿真研究

针对钝锥阻力体航天器降落伞高空开伞试验采用低成本小直径火箭外形包络受限问题,提出在箭体上安装柔性充气环和充气裙锥两种变构型方案,用于模拟降落伞开伞过程真实流场环境。采用三维雷诺时均N-S（Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS）方程方法分别对某钝锥构型返回舱、某小型火箭以及火箭尾部加装充气环和充气锥裙4种构型进行流场数值模拟,并对比各种构型的尾流流场特征。计算结果表明,箭体上加装充气环和充气裙锥都可从一定程度上改善尾流特性;相比之下,采用充气裙锥方案更接近返回舱真实尾流流场。     

凹槽参数对通气空泡融合的影响

水下航行体通气技术形成的空泡能够有效降低航行阻力并调节运动姿态,但通气空泡在航行体表面不易融合,空泡形态不稳定,因此开展通气空泡的融合控制具有重要工程应用价值。采用有限体积法进行数值计算,研究了航行体孔后开槽对通气空泡融合的控制作用,并探究了不同凹槽参数对通气空泡融合的影响。研究发现,凹槽改变了空泡的流场特性,槽内产生的旋涡卷吸流经凹槽的气体,使槽内气体向航行体周向发展并融合;当槽宽取0.125D,孔槽间距取0.075D时,对空泡融合的促进以及稳压效果最佳。     

等离子体喷嘴在超燃燃烧室中助燃的研究

为提高超燃冲压发动机燃烧效率,参考国内外研究给出了介质阻挡放电等离子体喷嘴基本构型并设计了电弧放电等离子体喷嘴基本构型,数值模拟了电弧(ARC)和介质阻挡放电(DBD)两种等离子体喷嘴安装在火焰稳定凹腔上游时的流场燃烧过程,研究了喷注氢气时等离子体对燃烧室各组分及温度、压力等关键参数的影响。结果表明:产物中水生成量有一定程度的增加,燃烧室压力、温度也有不同程度增长,起到了助燃效果,但电弧喷嘴的助燃效果更明显。     

三维侧压高超声速进气道不启动流场试验与数值模拟研究

对某构型三维侧压高超声速进气道开展了Ma4的自由射流试验和数值仿真,研究 了低马赫数下不启动流场的流动机理。观测到了具有“对涡”结构的底板油流图案,并得到 了分离区的范围和内部流动特征。分析得出,“对涡”结构油流图案和流场中部分离区的形 成是唇口激波和内收缩形成的逆压梯度作用于侧板激波形成的流场中部低能流区的结果。根 据试验和数值模拟结果给出了流场结构示意图,并为下一步进气道构形设计和性能改善工作 提出了建议。     

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。     

固体火箭发动机塞式喷管结构型式与性能分析

针对可应用于固体火箭发动机的3种环状塞式喷管构型,采用有限体积法进行计算,通过流场结构分析和性能比较,表明单元间隙较小的多单元环簇型塞式喷管在整个飞行高度下均具有较高的推力效率,适合作为固体火箭发动机用塞式喷管的基本构型.在此基础上,采用颗粒轨道模型模拟了20单元环簇型塞式喷管的两相流场,由于颗粒的存在使得两相流场较纯...     

凹腔前后缘圆弧对流场干扰的数值研究

基于两方程k-ωSST模型,对不同半径前后缘圆弧凹腔构型的超声速流场进行了二维仿真,获得了相应的流场特征参数。结果表明,与直角前后缘相比,采用圆弧构型时凹腔后壁的激波得到增强;随着圆弧半径的增加,凹腔内部的速度有所增大,而温度、涡量则呈递减趋势,从稳焰、助燃的角度看,后壁上端压力增大可以促进质量交换,同时降低回流区温度。综合考虑凹腔的稳焰和助燃作用,提出了一个适当的圆弧半径范围。     

平面整体冲破式易碎盖结构设计及有限元分析

针对发射筒/箱盖的轻质、结构紧凑等新的性能需求,设计了一种凹槽式薄弱区结构的平面整体冲破式复合材料易碎盖。对于承压工况,建立了静态有限元数值分析模型,分析了易碎盖应力和变形的分布,讨论了盖体厚度和薄弱区凹槽宽度对其最大变形的影响;对于冲破工况,基于三维Hashin失效准则,建立了静态渐进损伤有限元模型,研究了易碎盖冲破的损伤失效机理,探讨了易碎盖设计参数对其冲破性能的影响。结果表明:盖体厚度、凹槽宽度与易碎盖最大变形之间均为非线性关系,且盖体厚度的变化对易碎盖的刚度和强度影响明显,而薄弱区凹槽宽度的变化对其影响较小。有限元分析结果可为进一步试验研究及制备提供技术支持。     

前向空腔的弓形激波特性研究

在FD-14A激波风洞中Ma=10流场对前向空腔构型开展试验研究,应用高速阴影技术捕捉弓形激波的平均位置及振荡幅值,利用压力传感器测量空腔底部的脉动压力。在现有无空腔钝头体激波脱体距离预测方法的基础上发展了前向空腔构型的激波脱体距离预测方法,结合国外的试验测量结果与Organ-pipe理论,验证了这种方法的有效性和适用性,且该方法对激波脱体距离的预测结果与FD-14A风洞试验结果一致。此外,基于这种方法讨论了空腔振荡频率预测方法存在的争议。最后,研究了Ma=10流场下球锥体-前向空腔构型的脱体激波振荡幅值与平均速度的规律。     

Ni_3Al金属间化合物中空位团稳定构型的计算机模拟研究

本文采用分子动力学方法,对金属间化合物Ni3Al中的点缺陷进行了计算机模拟研究,其中原子间相互作用势采用F-S多体势。通过计算Ni3Al中各种构型的空位团的形成能及结合能,进而分析比较各种构型的空位团的稳定性以及热平衡时的数量,总结了Ni3Al中空位的聚集规律。     

凹腔超声速燃烧室氢气燃烧流场数值模拟

对带长深比为10的凹腔结构的燃烧室二维氢燃烧流场进行数值模拟,燃料喷注方式采用凹腔上游喷注加辅加凹腔前壁、底壁、后壁喷注。采用三阶MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程组,湍流模型采用剪切修正的RNGk-ε湍流模型,对喷氢燃烧工况进行了计算研究,并分别分析了凹腔中不同燃料喷注方式对燃烧特性的影响。结果表明：凹腔是火焰驻留的主要区域;凹腔上游喷注氢,可以使燃料在凹腔中混合燃烧,辅加凹腔中喷氢的三种方式对燃烧状况产生一定的影响。在凹腔前壁、底面辅加喷氢,没有增强凹腔的稳焰特性,对整个燃烧状态影响不大;在凹腔后壁喷氢,能够增加凹腔中的燃料含量,加强了回流效果,对燃烧状态影响较大。三种喷注方式都没有从根本上改变凹腔燃烧流场的特性。     

Numerical validation and parametric investigation on the cold flow field of a typical cavity-based scramjet combustor

The three-dimensional coupled implicit Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) equations and the two equation standard k–ε turbulence model has been employed to numerically simulate the cold flow field in a typical cavity-based scramjet combustor. The numerical results show reasonable agreement with the schlieren photograph and the pressure distribution available in the open literature. The pressure distribution after the first pressure rise is under-predicted. There are five shock waves existing in the cold flow field of the referenced combustor. The first and second pressure rises on the upper wall of the combustor are predicted accurately with the medium grid. The other three shock waves occur in the core flow of the combustor. The location of the pressure rise due to these three shock waves could not be predicted accurately due to the presence of recirculation zone downstream of the small step. Further, the effect of length-to-depth ratio of the cavity and the back pressure on the wave structure in the combustor has been investigated. The obtained results show that there is an optimal length-to-depth ratio for the cavity to restrict the movement of the shock wave train in the flow field of the scramjet combustor. The low velocity region in the cavity affects the downstream flow field for low back pressure. The intensity of the shock wave generated at the exit of the isolator depends on the back pressure at the exit of the combustor and this in turn affects the pressure distribution on the upper wall of the combustor.     

不同密度比球体入水空泡流体动力特性研究

基于实验与数值计算相结合的方法,针对不同密度比的疏水性球体开展了垂直入水空泡形态及水下流体动力特性研究。建立了基于高速摄像法的小型航行体入水实验系统,并进行了入水空泡高速录像观察。基于VOF方法和动网格技术建立了考虑表面润湿性的回转体入水数值模拟方法。通过与实验结果对比,验证了数值方法的准确性和有效性。基于对实验与数值结果的分析,总结了疏水性球体的入水空泡及水冠发展随密度比与入水冲击速度的变化规律,对比了不同密度比球体在水下空泡夹断前后的流体动力系数。结果表明:随着入水冲击速度的增加,球体动能加大,入水空泡和水冠尺度增大,并从准静态闭合空泡逐渐发展为深闭合及面闭合空泡,临界速度随着密度比的增加而减小。此外,空泡夹断后会形成上下两股高速射流,射流的进一步运动加速了水面及球体附近空泡的溃灭。在流体动力特性方面,球体带空泡航行阶段的时均流体动力系数随密度比的增加而减小,而随入水冲击速度的变化较小,同时空泡夹断会造成流体动力较大波动。     

运载火箭贮箱增压消能器流场数值仿真方法研究

在液体运载火箭贮箱的入口,通常采用增压消能器对贮箱增压气体进行均流、减速,使增压气体平稳、缓慢地降落在推进剂液面上。增压消能器通常由多层筛网、导流锥、扩容腔等部件组成。根据美国NASA的半人马座火箭采用的喇叭口消能器结构和参数,使用计算流体力学(CFD)方法对该种喇叭口形消能器的稳态工作过程进行了数值仿真,获得了消能器工作时的内部流场。通过与美国Lewis中心的消能器试验数据对比,发现仿真结果与试验结果吻合,验证了仿真方法的正确性。研究表明:消能器内部的一级筛网是产生能量损耗的主要来源,设置容腔及增大流通面积能有效降低气体的流动速度,多层筛网对均匀气体分布起到很好的效果。本文应用的流场仿真方法可以推广至其他类型的消能器,为增压消能器的选型、优化设计起到参考作用。     

声腔深度和相对开口面积的确定

根据二维声腔模型的声学试验结果和四分之一波管的理论公式,给出了直孔(槽)声腔和四种有进口肋声腔的有效深度计算公式。用该公式对几个推力室进行验算,得到可借鉴的声速比数值范围。依据设置声腔的二十多个推力室的稳定性鉴定试验数据,统计得到声腔相对开口面积的经验公式。     

突扩后缩型喷管前腔的流场计算

本文是为解决有关发动机喷管的实际烧蚀问题而进行的喷管前腔流场计算分析的一部分。探讨了SIMPLE算法在复杂边界下运行问题,重点研究了突扩后缩型喷管前腔的流场结构。计算表明:本文所提供的双涡系统与Finaish等人的结论是一致的,进一步证实了F.Pan和A.Acrivos的嵌套涡族理论。     

三元乙丙橡胶防热材料传热试验方法与温度数值计算

三元乙丙橡胶(EPDM)由于具有导热系数低的特点,在测量其背面温度时会产生比较大的测量误差.为减少测量误差,在热电偶测温端与被测表面之间增加具有高热导率的金属片作为集热片,对加与不加集热片、集热片选取不同材料(铜片和铝片),以及同厚度不同直径与同直径不同厚度分别进行了试验研究和瞬态传热数值计算,分析了集热片材料与尺寸对温度测量准确性及动态响应的影响.计算结果与试验结果吻合较好,表明铝片比铜片响应稍快,但强度没有铜片高,从而选用铜片;直径大与厚度小的铜片比直径小与厚度大的铜片响应快.     

不同尺度下相变材料熔化过程自然对流影响分析

为了解自然对流对固液相变传热的影响,采用有限容积法对重力条件下矩形腔内相变材料熔化过程进行了数值模拟。通过改变矩形腔的尺寸,分析了不同尺度对高温壁面平均Nu数(Nu数)及相变材料温度场、速度场的影响。结果表明:随着尺度增加,自然对流作用增强,Nu数逐步增大,液相区流动从稳定向周期振荡过渡,且流线越来越不规则。