固体火箭燃气超燃冲压发动机概念分析(Ⅰ)——全流道一体化设计

针对中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机,从大气模型、进气道、燃烧室及尾喷管四个模块出发完成了其一体化流道设计。针对所设计的发动机设计点及非设计点,采用全流道一体化数值模拟的方法对发动机设计的合理性进行了验证。研究结果表明,发动机设计点及非设计点进气道均已启动,燃烧室及后体工作状态良好,验证了发动机设计的合理性;碳颗粒的燃烧效率限制了发动机整体的燃烧效率水平及发动机性能,发动机设计点整体的燃烧效率为49%,比冲仅有3674.61 m/s,提升碳颗粒的燃烧效率作为固体火箭燃气超燃冲压发动机性能提升的关键点;由于燃烧室长度可能较短,构型较为简单,这对于发动机的一体化设计是不利的,如果能合理布置燃烧室构型,则对固体火箭燃气超燃冲压发动机的二次补燃效率及发动机性能的提升有所帮助。     

基于并联协作混合遗传算法的高超声速巡航飞行器一体化优化设计研究

遗传算法能以很高的概率找到全局最优解，不需要目标函数和约束条件的梯度信息。适合于工程优化设计。为增强遗传算法的局部搜索能力，提出了一种新的融合模式搜索方法和Powell方法的并联协作混合遗传算法。研究超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航飞行器的一体化优化设计。系统分析了机身和超燃冲压发动机设计参数对飞行器总体性能的影响。通过建立高超声速巡航飞行器质量模型、气动力估算模型、气动热估算模型、超燃冲压发动机性能分析模型、控制模型和弹道分析模型，在满足参考任务要求的前题下，以飞行器起飞质量为目标函数，将并联协作混合遗传算法应用于最优总体方案和超燃冲压发动机方案一体化设计。完成了6设计变量的全局优化计算。算例表明，本文建立的一体化设计模型基本正确，并联协作混合遗传算法是用于高超声速巡航飞行器一体化优化设计的较好的优化算法。     

激波引燃冲压发动机一体化流场数值模拟

激波引燃冲压发动机是一种采用爆轰形式组织燃烧的吸气式高超声速飞行器动力系统。采用AUSMPW+迎风格式、氢氧7组分8步基于反应模型,在非结构网格离散域上求解二维多组分化学非平衡流Euler方程。采用发展的数值方法求解了激波引燃冲压发动机内外一体化流场,研究了台阶长度、斜劈尖角度对发动机流场结构和发动机性能参数的影响规律。计算结果表明,所发展的数值方法能用于激波引燃冲压发动机的一体化流场和性能预示计算;台阶长度和斜劈尖角度影响发动机流场结构和预混气体能量释放程度。推力和燃料比冲均随台阶长度的增大而增大,随斜劈尖角度的增大而减少。     

某型固体火箭冲压发动机补燃室内流场仿真

基于简单反应的漩涡分裂模型,建立了固体火箭冲压发动机补燃室内的湍流燃烧模型,并在该模型下对某实验发动机进行了三维数值模拟,获得了补燃室内的流场结构。分析了补燃室燃烧效率的变化和发动机的性能,并研究了补燃室设计参数包括进气道出口设计参数对燃烧效率的影响。通过计算与分析,为固体火箭冲压发动机补燃室设计提供了一些建议。     

水冲压发动机掺混燃烧数值分析

用三维两相湍流N-S方程及湍流燃烧PDF模型模拟水冲压发动机补燃室燃烧流场,并探讨了进水流量对冲压发动机补燃室流场的影响。通过与试验结果对比分析,结果表明,所采用的数值方法可用来模拟水冲压发动机补燃室掺混工作过程,其数值结果可用来指导水冲压发动机进一步的研究分析工作。     

X型布局导弹冲压发动机攻角特性数值研究

冲压发动机是导弹设计者关心的重要问题之一。在实际飞行中为了有效的跟踪和攻击目标,必然要面对带攻角的情况。为了更好的模拟弹体、进气道和掺混段一体化影响,本文采用二阶迎风隐式TVD格式,内外流分区耦合求解可压缩N S方程,数值模拟了掺混段出口压力与来流压力比为P P∞=4 2超临界状态下,二元方形截面"X"型布局一体化通气模型复杂流场。计算了不同攻角对冲压发动机性能和流场所产生的影响,并对结果进行了比较和分析。     

固体火箭冲压发动机一体化CAD系统设计

针对固体火箭冲压发动机的特点，研制了固体火箭冲压发动机CAD软件，该软件系统包括了燃气发生器设计、助推补燃室设计、进气道设计、发动机性能计算和飞行弹道的计算。使用该系统可进行固体火箭冲压发动机总体方案论证，预估发动机的主要结构尺寸和发动机的整体性能。本文以一假想的空－空弹用固冲发动机方案设计为例，介绍固冲发动机设计步骤和软件系统的特点。     

固体超燃冲压发动机燃烧模态转换研究

对固体超燃冲压发动机的模态转换现象和燃烧室工作特性开展了地面直连试验和数值模拟研究。试验在Ma=6,25 km的条件下实现燃烧模态由超燃转换为亚燃，再转换为超燃的动态变化。数值模拟获得了对应燃烧模态下发动机燃烧室的流场参数变化及工作特性。将隔离段出口马赫数作为燃烧模态判别准则，基于隔离段绝热假设计算出隔离段出口马赫数，实现发动机燃烧模态的实时判别，并通过数值模拟结果验证了该方法的可行性。试验结果表明，改变燃料喷注方式能够实现燃烧模态的变化，亚燃模态下的性能明显高于超燃模态。数值结果表明，发动机隔离段及燃烧室内激波强度和位置受到横向射流与燃烧释热的共同影响，且不同燃烧模态下影响激波的主要因素不同。发动机燃烧室工作在亚燃模态下的性能最佳，总压恢复系数为0.44,总燃烧效率为0.79。其中，亚燃模态下硼颗粒和碳颗粒的燃烧效率分别为0.78和0.65。     

固体燃料冲压发动机研究进展

通过分析固体燃料冲压发动机内部燃烧和流动过程，建立了固体燃料冲压发动机内弹道计算模型。在数值模拟基础上，分析了发动机内流场结构和燃速特性。理论计算表明发动机内流场呈现很强的二维特征，附着点位置与入口台阶高度和燃烧性能有关。为验证计算结果，设计并建成了固体燃料冲压发动机实验系统。     

法国冲压发动机研究进展

综述了法国自上世纪八十年代中期以来在冲压发动机研制方面的技术进展。介绍了冲压发动机研制的试验技术指标及数值模拟技术,并对法国亚燃冲压发动机、超燃冲压发动机的研制进行了分析介绍。     

高超声速进气道优化设计初探

以总压恢复系数为目标,利用无粘流斜激波关系式和约束最优化计算方法,在考虑混合气体比热随温度变化的条件下,对二维混压式高超声速进气道设计方法作了初步探索,利用数值模拟软件对附面层作了修正,研究了进气道的基本性能。数值模拟结果表明:该进气道在飞行马赫数Ma=4～6.5范围内能够可靠工作。     

吸气式高超声速飞行器机体推进控制一体化建模方法研究

针对吸气式高超声速飞行器气动力、气动热、结构、推进、飞行轨迹以及姿态之间的多物理场强耦合给飞行控制系统设计带来的问题,提出一种适用于此类飞行器机体/推进/控制一体化设计的建模方法.首先,依据类乘波体高超声速飞行器基本外形参数体系设计飞行器的三维外形;然后在飞行器流场分析的基础上,给出飞行控制系统需要满足的姿态约束条件,并采用一套完整的工程预测方法建立了适合进行飞行控制一体化设计的气动力/推力耦合模型;最后基于拉格朗日方程推导了一体化弹性体动力学模型.模型算例验证了该方法在吸气式高超声速飞行器机体/推进/控制一体化设计中的可行性.     

不同入口马赫数对超燃冲压发动机尾喷管的性能影响研究

针对采用多目标优化方法设计的超声速燃烧冲压发动机非对称喷管,采用RNGκ-ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,数值模拟喷管不同入口马赫数条件下的喷管流场和性能.计算结果表明:喷管入口马赫数的变化会对喷管内流参数带来一定影响,导致喷管的推力和升力同时增大或减小,飞行器的配平性能...     

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.     

自由射流超燃冲压发动机燃烧室流场对比计算研究

提出一种针对喷射的简化模型，拓展了二维／轴对称NS方程模型的适用范围。通过算例验证，显示出源项加质方法具有良好的质量守恒性。针对文献中的实验进行了对比计算，结果表明，数值模拟与实验点符合得较好，验证了方法的可靠性。采用上述简化模型，针对化学反应过程与流动过程采用了耦合与解耦这两种方法，对放置在自由射流实验台上两种构型的缩比发动机燃烧室段进行了考虑化学反应流场模拟，得到了主要气动参数的分布图。研究了总压耙等测量装置对于流动的影响。计算结果表明，数值模拟所得到的壁面静压值与实验壁面压力符合得较好，并且为合理布置测量仪器提供了一定的参考。     

超燃冲压发动机全流道反应流场仿真分析

采用计算流体力学方法开展了超燃冲压发动机流场二维及三维数值仿真,获得了发动机流场结构及流动细节.探讨了二维简化计算的适用性及不足.通过对发动机各部件受力的分析,得到了发动机初步性能,并就支板及凹腔的减阻设计提供了一些参考.     

超燃冲压发动机燃烧室流动问题的数值验证

基于三维可压缩RANS方程,结合有限速率化学反应模型,发展了一套模拟多组元化 学 反应与湍流流动的计算程序。通过对超燃冲压发动机燃烧室内的几种典型流动问题,如横 向喷流问题、后向台阶流动问题和氢／空气化学反应问题进行数值模拟,验证计算程序的可 靠性,将数值模拟结果与实验结果进行了对比,结果吻合较好。     

随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用

应用随机轨道模型对喷管内气-固两相流动进行了数值模拟,结合实验测量结果对使用随机轨道模型和确定轨道模型两种方法的计算结果进行了对比分析,研究了不同固相参数(固相质量比和粒子平均直径)下的固体火箭发动机喷管性能。研究发现,随机轨道模型对实际流动现象的模拟优于确定轨道模型,随着固相质量比和粒子平均直径的增加,喷管两相流损失增加,冲量系数下降。     

冲压增程炮弹流场数值仿真与分析

建立了冲压增程炮弹的三维计算模型,采用Navier-Stokes理论对冲压增程炮弹进行三维流场数值仿真,给出并分析了不同攻角下炮弹的流场结构和各部分的阻力系数,并与试验数据进行了对比.结果表明,在非设计状态下的总阻力系数比设计状态下的要大.且随攻角的增加而升高,主要是由炮弹空腔及底部的阻力变化所引起的,仿真结果与试验结果吻合较好,对冲压增程炮弹总体设计具有参考作用.