轴对称后向台阶不稳定流动及压强振荡数值研究

使用翼柱形装药的战术发动机,在翼槽烧完时会出现轴对称的后向台阶结构,易产生转角涡脱落引起的声涡耦合现象。根据战术发动机中后向台阶流动特点设计简化模型,从线性稳定性理论出发,应用声涡耦合模态预测方法进行分析。采用湍流流动的大涡模拟(LES)方法,进行了较宽来流Re数条件下后向台阶不稳定流动的数值模拟,获得了转角涡脱落产生的一般过程,分析了不同来流条件下的旋涡多尺度运动规律。通过分析流场中关键位置的压强振荡,研究了气动声学现象。结果表明,声涡耦合模态预测方法可对不同速度下可能诱发的声场固有频率进行合理预测。流场头部压强波动的振幅最大,频率与声场轴向声模态相耦合。再发展区出现低于轴向基频的宽峰振荡主要受大尺度旋涡运动的影响,该频率与基频接近时,会造成基频的多峰现象。当近壁面小尺寸旋涡形成频率接近声场某阶固有频率时,该频率及更低阶频率就有可能被激发。     

某双脉冲发动机压力振荡产生机理及抑制方法分析

以某双脉冲发动机二脉冲工作时出现的压力振荡现象为研究对象,建立燃烧室内的声腔和流动模型,采用有限元和大涡模拟算法及声涡耦合机理对压力振荡出现的原因进行了研究,并对采用扰流环抑制压力振荡的原理进行了分析。研究结果表明:该发动机二脉冲工作时出现的压力振荡由声涡耦合引起,在发动机中增加扰流环结构可提高发动机工作初期的漩涡脱落频率,使该频率远离发动机燃烧室声腔的轴向一阶声频,从而抑制压力振荡的发生。     

潜入式喷管背区空腔对压强振荡及旋涡运动影响的实验研究

通过转角涡脱落二维缩比实验器的冷流实验,验证了声-涡耦合机理,即当转角涡脱落频率与声腔固有频率接近时将引起压强振荡,并通过改变潜入式喷管背区空腔体积,研究了空腔体积大小对压强振荡以及旋涡运动的影响。实验结果表明,实验器中压强振荡的振幅随着潜入式喷管背区空腔体积的减小而降低,当背区空腔体积为0时,压强振荡消失。通过高速流场显示技术,获得了不同背区空腔体积时的旋涡运动情况。分析表明,随着空腔体积的逐渐减小,旋涡脱落变得杂乱而没有规则,无法与实验器声腔耦合,从而不能产生压强振荡。     

空腔位置及结构对脉冲压力振荡的影响

为了获得不同空腔位置及结构对脉冲压力振荡特性的影响规律,利用Fluent软件并结合UDF(用户自定义函数),对4种不同空腔模型的发动机开展了数值计算,得到了燃烧室内的流场结构与脉冲压力振荡特性,为发动机装药结构设计及不稳定燃烧抑制提供了理论指导。结果表明,头部空腔能有效衰减脉冲波动压力,有利于提高发动机的工作稳定性;中间位置空腔内容易产生旋涡脱落现象,继而诱发涡声耦合压力振荡,扩张式中间空腔内压力振荡比收敛式中间空腔内的压力振荡严重;末端空腔不仅削弱了喷管阻尼,而且在脉冲条件下易激发旋涡脱落,不利于发动机工作稳定性,在工程设计中,应慎重考虑翼面后置装药结构。     

头部空腔对固体火箭发动机压强振荡抑制作用的数值研究

为了揭示头部空腔对固体火箭发动机压强振荡的抑制原理,以VKI实验发动机为基础,使用大涡模拟方法,对障碍物旋涡脱落诱发的振荡流场开展了数值研究,获得了压强振荡的频率和幅值,并和实验数据进行了对比。通过在发动机头部加入空腔,发现压强振幅明显减弱,证实了瑞利准则用于指导头部装药抑振设计的有效性。研究结果表明,空腔体积、位置、形状对振幅的影响很大,改变装药结构本质上是质量抽取与注入之间的相互抗争过程。装药头端复杂流场对抑振基本无效,在声压波节处改变药型对抑振基本无效,在声压波腹处加入的质量通量越大,振幅增加越显著,空腔越靠近声压波腹,空腔对声能的阻尼效应越强。     

喉栓式推力可调固体火箭发动机动态响应特性数值分析

基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述的N-S方程,利用动网格方法适应边界移动,对喉栓式推力可调固体火箭发动机在推力调节过程中发动机的内流场进行了非稳态数值模拟,分析了喉栓运动速度、发动机自由容积对推力调节性能的影响规律,揭示了喉栓式发动机推力调节过程中发动机的动态响应特性.所得结论可为喉栓式推力可调发动机的设计、试验提供依据.     

分段固体火箭发动机中声涡耦合现象的实验研究现状

概述了国内外针对大型分段固体火箭发动机中由于声涡耦合而引起的压强振荡现象的实验研究,包括轴向供气和径向供气的冷流实验以及大量的缩比发动机点火试验。一方面,这些实验用来确定和验证定义涡脱落频率的Strouhal数值,其可在一定程度上解释全尺寸发动机振荡出现的时刻和频率的变化;另一方面,研究了绝热环的高度、厚度、材料、位置以及绝热环间距等参数对振荡幅值的影响,为被动控制提供思路。同时发现,头部、段间和潜入式喷管处空腔对压强振荡也有很大影响。     

推进剂压强指数对喉栓式变推力固体火箭发动机推力调节特性的影响研究

为获取推进剂压强指数对喉栓式变推力固体火箭发动机推力调节特性的影响,用小偏差方法建立喉栓式变推力固体火箭发动机控制模型。讨论了几何法、CFD仿真(气动)法和冷流试验法建立喉栓组件控制模型的适用性,根据结果选用气动喉部进行计算,给出了喉栓发动机推力模型。研究了采用正、负压力指数推进剂的喉栓发动机推力调节特性,发现正压力指数推进剂会导致推力负调出现,负压力指数推进剂可避免推力负调产生。通过单喉栓推力调节试验验证了模型的正确性。仿真表明:推进剂正压力指数越大,压强波动就越大,推力变化越大,响应时间越长;推进剂负压力指数的绝对值越大,压强波动越小,推力变化越大,响应时间越短。分析结果对相关控制策略研究有一定的参考价值。     

喉栓式推力可调发动机喷管流场数值模拟

对喉栓式推力可调固体火箭发动机喷管流场进行了数值模拟,并对喉栓型面进行了过程优化;针对喉栓不同作动速度和自由容积,分析了流场内各参数的变化;进行了非同轴喉栓发动机试验研究.计算结果表明,细长锥型喉栓总体性能最优;发动机压强建立过程与喉栓作动速度和自由容积关系密切;模拟结果与试验数据差别不大,可为喉栓式推力可调固体火箭发动机的研发提供参考.     

液体火箭发动机的稳定性试验

叙述的一种实验装置,可用来研究可贮存液体发动机的喷射区对声学干扰的整体响应特性.这一装置是以ONERA(法国国立宇航研究所)已成功地应用在固体火箭发动机中的方法为基础的.其中包括了用间歇调制喷管喉径的方法使一台模型小火箭的周期性振荡频率接近其一次纵向振型.在此情况下的喷射区的响应特性是由测量其一次纵向振型压力振荡的阻尼值来定量的,在以前的一篇文献中业已证明:在一台小型液体火箭发动机中,有可能触发出其一次纵向振型,并精确地测出不同阻尼值与参数变化之间的关系,例如用不同的喷注器、燃烧室压力、不同种类的燃料及喷管进口截面比等变化情况.这些实验采用了轴向喷注器,并假定推进剂的喷射和燃烧主要是受声压振荡干扰的(压力耦合).叙述在沿燃烧室全长的一半处装有径向喷注器的火箭发动机试验.试图用这种方式使喷雾和燃烧区受到声速扰动(速度耦合).并研究各种喷注器型式、燃烧室压力和燃料对声速扰动的影响.其间曾出现过若干自然的燃烧不稳定现象.还叙述用轴向喷注器进行的一些补充试验.对这两类实验结果加以比较即能鉴别压力耦合和速度耦合的不同特性.从某个技术角度看来,如果证实这类小型火箭发动机所获得的实验结果能转用于大型发动机,那么这种实验装置对研究液体火箭发动机的不稳定燃     

富氧燃气发生器液氧供应系统频率特性分析

为了研究富氧发生器液氧供应系统的动态特性,详细考虑液氧头腔中的流动过程和喷嘴动力学环节,建立了系统的传递矩阵模型。计算了系统在发生器室压扰动下的频率响应特性,并分析液氧头腔体积、喷嘴压降、喷嘴惯性和发动机工况对液氧供应系统动态响应的影响。结果表明,由于液氧头腔的容积较大,液氧喷注导纳主要取决于头腔和喷嘴的动态特性,出口流量幅值在很宽的频率范围内都较高。增大头腔体积,则增大出口流量的幅值,降低头腔中压力响应幅值。适当提高喷注压降或喷注单元的惯性,都能降低液氧喷注导纳的幅值。在低工况下出口流量幅值在300～800Hz之间增大,不利于该频率范围的耦合稳定性。     

发动机供应系统中汽蚀管自激振荡特性试验

为研究汽蚀管在火箭发动机供应系统中的自激振荡特性，采用全尺寸的发动机泵后供应系统，并模拟供应系统在发动机中的边界条件，开展了汽蚀管动态液流试验。在不同的汽蚀管相对压力损失下，获得了不同位置处的压力振荡数据。试验结果表明，当汽蚀管处于汽蚀工作状态，汽蚀管下游脉动压力存在220~310 Hz范围的振荡，下游压力的自激振荡对汽蚀管上游系统无明显影响。随着汽蚀管相对压力损失的增大，汽蚀管下游的汽蚀振荡频率减小，汽蚀振荡幅值增大。在汽蚀管与主阀之间，振荡幅值沿流向逐步增大，从主阀至推力室头腔，振荡幅值逐步衰减。当汽蚀裕度过大时，汽蚀管下游出现大幅值的压力脉冲尖峰，并导致导管结构产生高幅值的脉冲形振动响应。     

低温推进剂重定位推力幅值及时序优化

为了减少重定位时间及推进剂消耗量,提升低温末级的机动性及运载能力,采用流体体积函数(VOF)方法开展重定位推力幅值及时序优化研究,分析重定位过程推进剂质心高度、平均动能、卷气率以及平均气泡直径的变化规律,以获得不同推力幅值及推力时序下的重定位时间和推进剂消耗量。结果表明：小推力重定位时间长,推进剂消耗量少;而大推力重定位时间短,推进剂消耗量多。通过合理优化推力时序可以有效减少重定位时间及推进剂消耗量。     

膨胀循环液体火箭发动机推力调节阀仿真研究

根据某膨胀循环液体火箭发动机推力调节阀的结构及工作原理,通过理论分析建立了推力调节阀的数学模型,并利用AMEsim软件构建了推力调节阀的仿真计算模型,对其进行了仿真计算.计算了发动机额定工况、高工况和低工况参数下推力调节阀内部各压力及流量参数,并对推力室室压、调节阀出口压力和氢主文氏管入口压力变化引起的调节阀主阀流量变化趋势进行了计算分析,得到了调节阀内部各压力参数及流量的变化规律.     

一种用于临近空间飞行器的吸气式电推进技术

针对低速临近空间飞行器提出了一种新型吸气式电推进方案,该方案采用单介质阻挡放电（SDBD）作为等离子体源,因此能在较大气压范围（数Pa~1atm）内电离大气产生等离子体并产生推力。为探究该吸气式电推进方案的推力性能,测量了实验样机在多个气压和电压条件下产生的推力。推力测量结果显示在10~90kPa气压范围内,实验样机产生的推力在10 2~10 3μN量级;气压一定时,产生的推力与驱动电压呈幂次相关;而电压一定时,随着气压自1atm逐渐降低,产生的推力先增大后减小,且达到最大推力的气压与所加驱动电压相关。     

非同轴式喉栓变推力固体发动机试验

设计了非同轴式喉栓变推力固体发动机试验系统,进行了变推力原理性试验研究。解决了试验中出现的喉栓结构完整性问题;基于内弹道计算,分析了喉栓变推力固体发动机的压强特性;通过喉栓不同运动过程的试验,开展了喉栓发动机压强特性研究;通过试验结果的对比分析,发现了影响发动机压强爬升的主要因素。试验验证了喉栓式变推力固体发动机的原理可行,以及所设计的非同轴式喉栓变推力固体发动机试验系统可行,满足试验研究需求。     

RBCC推进系统主火箭发动机气氧／煤油推力室研究

为满足RBCC推进系统主火箭发动机对气氧／煤油推力室的要求,对其进行了高燃烧室压力和温度、大范围变工况工作研究。气氧／煤油推力室喷注器采用中心区气液双组元内混式喷嘴和边区直流喷嘴结合结构,身部采用夹层冷却结构。通过对推力室气氧／煤油推进剂的点火及雾化混合技术、推力室喷注器及身部冷却设计技术、推力室的点火启动、稳态工作等关键技术的研究表明,推力室在室压3MPa、5MPa工况下可稳定燃烧。额定推力650N的气氧／煤油推力室方案可靠、点火工作正常,可以满足大范围变工况稳定工作要求。     

无拖曳卫星氮气微推进系统填充与开机工作特性的仿真研究

采用AMESim软件对氮气贮存压力为1.5×10 7 Pa、推力范围为mN级的压电驱动的氮气微推进系统进行建模。研究了氮气填充过程中氮气瓶、减压阀的压力和质量流量瞬态特性。分析了整合喷管的压电比例阀在开机过程中的瞬态工作特性。最后，研究了驱动电压对压电比例阀在开机过程中的阀芯位移和喷管推力瞬态值、阀芯运动和推力响应时间的影响规律。结果显示，当驱动电压为80 V时，阀芯的响应时间和稳定位移分别为 0.64 ms 和3.67 μm。开机后8 ms，喷管推力达到稳定值(0.588 mN)。压电比例阀阀芯的开启响应快速，且驱动电压与喷管推力之间存在良好的线性关系，说明推力可通过改变驱动电压进行mN级的线性调节。     

用聚能切割法实现推力终止实验研究

对用聚能切割法实现固体火箭发动机推力终止的方案开展了实验研究,推力、压强测量用于观测冲击及压强过程,高速运动分析仪用于观测切割过程。有限的实验结果表明,聚能切割能在3~6 m s实现燃烧室的快速降压熄火,从而实现推力终止,但固体推进剂在一段时间之后复燃,产生微小推力;聚能切割会产生较大的冲击力。     

非轴对称斜切喷管内流场数值模拟

应用有限体积法建立了三维守恒型N-S方程组的数值求解器,对某非轴对称斜切喷管内流场开展了数值模拟计算,研究了斜切角度变化时引起的发动机推力及推力线偏转角变化。研究结果表明,在相同总压、总温条件下,喷管质量流量及发动机推力随斜切角增大而呈线性趋势减小,推力线偏转角在斜切角为0°时最大。