固液捆绑火箭起飞喷流特性及对发射台影响研究

为了研究固液捆绑火箭起飞阶段多簇高度欠膨胀燃气射流冲击发射台及导流装置的复杂流场图谱，基于连续介质假设，建立固液捆绑火箭发射燃气羽流含Al2O3颗粒混合物流动的欧拉离散相气-固耦合流动模型，包括燃气多组分可压缩N-S方程、Al2O3颗粒流动方程、RNG k-ε湍流模型，并运用二阶Roe迎风差分格式求解控制方程的对流通量，二阶中心差分计算耗散项。在流动计算结果基础上，建立高温燃气射流的热辐射方程，采用离散坐标法(DOM)计算多簇燃气射流热辐射的影响，通过数值模拟得到火箭起飞时高度和漂移量对发射台和箭体底部底部燃气射流流动及热流密度的影响。所得结果可为发射台和箭体底部防热设计提供一定的参考依据。为了验证欧拉离散相模型及其数值方法的有效性，以固体推进剂标准发动机羽流热环境实验为对象，将数值模拟结果与实验数据进行了对比，发现两者的温度和热流密度相对误差分别为2.2%和3.7%，由此可见本文的方法具有良好的数值精度。     

用基于混合网格的多重网格法数值模拟绕物体的紊流流动

本文在混合网格基础上用多重网格法求解了紊流N-S方程。混合网格是由在物面附近采用的柱状网格与其他区域则采用的非结构网格组成。方程的求解采用Jamson的有限体积法，紊流模型采用两层Baldwin-Lomax代数紊流模型。用多重网格法来加速解的收敛。数值算例表明，用混合网格及多重网格法来求解紊流Navier-Stokes是非常有效的。     

斜喷管燃气射流气动干扰数值模拟

导弹飞行时，由发动机喷出的高温高速燃气射流对周围的空气流场产生强烈的扰动作用，从而影响导弹的空气动力特性，但由于燃气射流的存在，采用实验方法对燃气射流气动干扰进行估计有很大难度。本文采用三维流场数值模拟方法，模拟导弹弹体中部斜喷管燃气射流和空气耦合流场，对斜置喷管燃气射流空气动力干扰进行了研究。结果表明：斜置喷管燃气射流的存在，使导弹气动力的阻力增大，升力降低。     

射流在不可压气流中破碎过程高精度数值仿真

研究液体射流在不可压气流中破碎过程的难点在于捕捉射流柱表面细节特征。采用基于Gerris开源代码的树形自适应加密算法和VOF方法对射流袋式破碎和剪切破碎的典型算例数值计算,实现了射流柱从变形、弯曲到破碎成液滴的全过程可视化,清晰的捕捉到了射流柱表面形成的表面波,计算得到的射流轨迹、破碎长度和液滴空间分布均与文献中实验结果很好的吻合。直观表明表面波导致射流柱不稳定,射流袋式破碎液滴较大,剪切破碎液滴平均直径约为60μm,基于Gerris的高精度数值算法有助于进一步认识射流破碎机理和高效评估破碎效果。     

多组分含化学反应火箭燃气射流流场的数值模拟

推导了适合多组分含化学反应火箭燃气射流场对流项的ＴＶＤ数值格式及流动求解的组合格式，给出了某火箭燃气自由射流流场的计算结果。     

固体火箭发动机燃气射流流场和声场数值计算

燃气射流噪声是固体火箭发动机工作过程中的主要噪声源之一,射流流场的参数对其产生的射流噪声有重要影响。通过大涡模拟(LES)对不同尺寸喷管形成的超声速高温射流进行了三维非稳态数值模拟,随后在合适的声源面中,采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换得到了燃气射流噪声声压级的空间分布。计算结果表明,随着喷管尺寸增大,超声速射流核心区变大,喷口流场波节数增加,对喷管尾流场的影响域扩大,其产生的射流噪声也增强;燃气射流噪声辐射有较强的指向性,在射流轴向30°角方向噪声声压级最大,与相关文献中的试验结果比较吻合。研究结果可为后续固体火箭发动机降噪设计提供参考。     

真实火箭燃气羽流密度场的定量显示

本文采用用激光－莫尔偏折和自动测压系统，清晰地显示出真实火箭燃气射流场在激波处的莫尔条纹漂移，首次定量地给出了一种欠膨胀火箭射流的密度分布结果，该结果与射流理论符合较好。     

基于燃气射流控制的可调进气道数学模型研究

针对固定几何形状冲压发动机超音速进气道在高马赫数状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室或燃气发生器引入燃气喷入外压缩面和喉道,实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案。采用数值方法计算了不同马赫数工况下,喷射条件变化时进气道的性能参数。根据流场数值计算结果,采用B样条理论建立了燃气射流控制可调进气道数学模型,利用此数学模型可确定进气道外部斜激波位置以及总压恢复系数随工作马赫数和射流喷射条件的变化关系。结果表明,随着射流入射角度和射流流量增大,射流调节能力呈增强趋势。     

边界层内水介质在压差驱动下沿小孔向气腔射流问题研究

对边界层内小孔气水多相流场下射流问题开展数值仿真及定常水洞试验研究,建立了适用于边界层内压差驱动下小孔向气腔射流多相流场问题研究的数值仿真计算模型,针对典型孔参数及气水流场条件,对比分析了仿真试验数据,验证了数值仿真模型的正确性及模型计算精度。结合流体质点受力及运动模型及平板边界层理论,分析了气水域压力场特征及水域流动规律对小孔射流过程的作用机理及影响规律,开展了孔参数对射流多相流场特征及射流量的影响研究。获得了小孔射流量估算方法,为航行体上防水装置设计提供数据支撑。     

双微射流合成流场数值分析

采用标准的SIMPLEC方法，对基于二维、非定常、不可压缩、粘性计算模型的双微射流相互作用形成的合成流场进行了数值分析。计算结果说明，在一定的斯特劳哈尔数和雷诺数下、与单作动器形成的流场不同，双微射流合成流场受双作动器工作时的相位差影响。存在相位差时，合成流场不再呈对称分布，而偏向相位超前的一侧。     

单喷管火箭自由喷流噪声数值模拟

利用非定常燃气流场数值模拟方法，研究超声速喷流核心区及其外围亚声速区燃气流动态分布和流动特性，在此基础上利用欧拉方程条件的伽辽金有限元方法以及FWH方法，实现并完成喷流噪声传播特性、辐射特性数值模拟。喷流噪声数值模拟结果显示：燃气流推进初期，强喷流噪声区域紧随燃气流前锋；燃气流场相对稳定后，强喷流噪声区域主要位于燃气流等能区末稍，一些小尺度试验的燃气流激波系附近也存在较强喷流噪声。这些强喷流噪声主要由燃气流前锋带动的大涡动态卷吸、燃气流强湍流脉动以及激波扰动引起。受数值模拟网格分辨率影响，当前仅能保持中低频段声压级数值模拟结果与实测结果总体接近。     

低重力环境下三维液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力环境下三维液体非线性晃动问题。采用ＡＬＥ（任意的拉格朗日－欧拉）运动学描述跟踪自由液面；对于ＡＬＥ描述的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式进行数值离散，在空间域上利用有限元方法进行了数值离散；推导了考虑表面引力效应时有限元边界条件的弱积分形式；给出了表面张力的数值计算公式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒型贮腔中液体的非线性晃动，并得到了贮腔壁面处     

基于等效理论的RQL燃烧室掺混特性研究

采用RNG k-ε湍流模型对RQL（rich—burn／quick—quench／lean—burn）燃烧室内气流的掺混过程进行了数值模拟,运用等效思想,通过对混合流场内部温度、近壁区温度以及出口温度的分析,讨论不同掺混角度和掺混射流速度对RQL燃烧室混合特性的影响,进而了解RQL燃烧室工作时热流流场的结构状况。研究结果表明,不同的掺混气流入射角度和速度,对RQL燃烧室内气流掺混的高温区位置、壁面温度以及出口温度分布的影响明显。     

考虑平整性要求的板壳自适应结构静变形控制

基于四节点压电复合材料层合板单元和相应有限分析方法，利用结构位移对电压的灵敏度，对以压电材料为作动器的板壳自适应结构，进行了考虑平整性要求的静力变形控制。根据控制目标和约束限制，由数学规划问题确定结构承载时作动器所需的控制电压，最后以数值算例给出了仿真结果，以验证所提出方法的有效性。     

导弹薄壁加筋半硬壳结构稳定性分析的有限元模型

本文对轴压作用下导弹薄壁加筋半硬壳结构总体弹性稳定性分析问题,提出了一种实用的有限元计算模型,使得十分复杂的非线性问题线性化,大大简化了这种结构总体稳定性计算。计算模型的有限元法数值结果与实验值较好符合。     

空间站大面积柔性太阳电池阵的动力学问题

讨论了空间站大面积柔性太阳电池阵的动力学问题。针对该种太阳电池阵的结构特点，指出了动力学分析的复杂性。对国外所开展的几个有关动力学问题的工作作了简单的介绍。最后，利用解析法和有限元法分别对一个大面积柔性太阳电池阵的动态特性进行了分析和计算，并给出了初步的数值结果。     

二元混压超音速进气道湍流流场数值模拟

对二元混压超音速进气道湍流流场进行了数值模拟。计算中将无波动无自由参数耗散差分格式与对流迎风矢通量分裂技术耦合使用，应用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，按照ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ时间分裂方法对贴体坐标系下二维雷诺平均Ｎ－Ｓ方程进行差分离散，模拟了二元混压超音速进气道在临界和非临界流动状态下整个流场的流动情况。进气道主要部分的计算结果与理论分析相一致。     

Calculation of ignition and combustion of a hydrogen jet in air with finite chemical reaction rates

A comparison between two analytical models of a free turbulent mixing of reacting streams with finite chemical reaction rates is presented and the results of calculations compared with experimental data. The substance is a mixture of the inert non-dissociated nitrogen and oxygen that dissociates and reacts with hydrogen.For the first model the local values of flow parameters along the streamlines were provided by the numerical solution of the conservation equations in the boundary layer form for a multicomponent mixture of perfect gases in the von Mises coordinate system. In the course of this analysis the problem was treated by dividing the flowfield into a large number of regions and by solving the Cauchy problem of the conservation equations for each region.The second analytical model was based on the ignition delay to describe the chemistry in the region of pre-ignition. The external air stream was heated by combustion and the influence of the water vapor and the intermediate species on the reaction kinetics in the mixing zone was numerically investigated.The results of calculation are compared with the experimental data with respect to the location of a visible flame edge under combustion of hydrogen jet in the co-current flow.