超燃冲压发动机燃烧室内对流与辐射加热基于OpenFOAM的数值模拟

为了考察对流和辐射传热对燃烧和流场以及壁面热流密度的影响,基于OpenFOAM平台,采用基于k-ω湍流模型的剪切应力输运(SST)模型,结合二维P1模型、随机欧拉解(SEF)法及k-distribution谱带模型计算燃烧室内燃烧、流动、燃气辐射和壁面对流及辐射热流密度。计算分为燃烧/流动与辐射解耦和耦合两种情况,前者的壁面辐射热流与文献解耦计算结果吻合较好,在此基础上考察耦合时热辐射对燃烧和流场参数及壁面热流的影响。结果表明:解耦条件下壁面最大辐射热流密度达55 W/cm~2,辐射与对流热流密度之比达40%以上,但位置与最大辐射热流位置不一定相同,燃气最高温度与不考虑辐射时相比降低120K左右;在耦合计算中,燃气最高温降低近200K,燃气高温区面积增大而平均温度降幅较小。     

液体火箭发动机多层嵌套钎焊铣槽式换热器传热模型

为满足某大型液体火箭贮箱增压介质加热需求,对火箭上常用的多层嵌套钎焊铣槽式换热器结构特点进行了分析,对影响传热计算准确性的主要因素进行了剖析,建立了一维数学仿真传热模型,针对局部两相流换热采用了简化计算模型。换热器试验结果表明:传热计算结果与试验结果一致性较好,表明了传热模型建立的合理性; 基于试验数据,对两相流简化计...     

发动机喷管内流场对流换热系数影响因素的数值分析

基于Roe-FDS格式,采用标准κ-e湍流模型对某液氧煤油发动机喷管内部燃气流对喷管内壁的对流传热换热系数进行了数值仿真与研究,分析了网格雷诺数以及恒温壁壁温对喷管内壁对流换热系数的影响.当近壁面网格第一层法向高度为10-3 mm数量级时,仿真结果与工程估算公式的计算结果相吻合.同时,在一定范围内,对流换热系数随来流速...     

复燃现象对导流器排导流场影响数值分析

为探究导弹发射过程中复燃现象对导流器排导流场的影响,将模拟发射过程中燃气化学反应的方法应用于实际的流场分析,以计算流体力学方法为主要的研究手段,对发射过程燃气流场进行了深入研究。分别使用标准k-ε湍流模型与Realizablek-ε湍流模型对经典的燃气流平板冲击问题进行仿真计算,通过与实验数据比较,证明在圆孔射流冲击平板问题中Realizablek-ε模型的计算结果更加符合实际流动的物理特性;并基于有导流器的发射试验平台三维流场模型,得到了对称面及导流器周围流场的温度、压强及不同组分的分布情况,对比了化学反应射流与化学冻结射流之间的差别。结果表明,复燃现象主要发生在燃气射流与空气的混合层及射流冲击壁面处,化学反应射流流场中复燃区域的温度高于化学冻结流流场对应区域的温度。     

再生冷却燃气对流换热系数计算方法优化研究

目前通常使用Bartz方法来计算液体火箭发动机推力室燃气强迫对流传热系数。Bartz方法没有考虑推力室燃烧区域分布和边界层厚度变化等实际情况对燃气热流的影响,不能很好的反映燃烧区域的燃气热流密度分布,其计算结果与试验存在一定的偏差。在Bartz方法的基础上,考虑燃烧区域长度、边界层厚度变化和流动加速性的影响,建立了修正的Bartz方法,再分别采用Bartz方法、修正的Bartz方法和Pavli方法,进行了推力室再生冷却传热计算。与液氧/甲烷发动机推力室试验结果对比表明,在三种方法中,修正的Bartz方法计算结果与试验结果最为接近。最后,采用修正的Bartz方法研究了推力室压力和混合比对再生冷却的影响。     

固体运载火箭级间热分离仿真气体模型研究

目前,计算流体力学和飞行力学耦合仿真是模拟运载火箭级间分离较为流行的方法,而发动机内外流动建模则是运用该方法的关键。工程上,常用的方法是将发动机燃气与外部大气当作同一种气体组分处理,未考虑内外流动的多组分与燃烧效应。分析了化学非平衡流模型、双组分气体模型和常规单组分气体模型在火箭级间热分离流场计算中的适用性。化学非平衡流模型由于过高的计算消耗,不适用于火箭研制工程中大规模的参数化研究。而热化学等级较低的双组分气体和单组分气体模型由于计算量较低,具有较好的工程适用性。双组分气体模型计入了火箭燃气的特性,计算消耗远低于化学非平衡计算,且能够较好地预测火箭级间段的流动分离,在计算效率和计算保真度之间做出了较好的平衡,未来在工程研究中有较大的应用潜力。     

亚燃燃烧室两相反应流场的燃烧模型

简要介绍6种可用于亚燃冲压发动机燃烧室计算模型的原理、特点及发展状况;选用两个有代表性的涡耗散概念模型与局部化学平衡模型的计算结果进行分析对比。定量结果显示,基于动力学反应机制的涡耗散概念模型对燃烧室流场的整体描述较好,基于快速反应的局部化学平衡模型会出现燃烧室火焰面前移现象,对于稳定器后方的流场计算结果,二者是一致的。由于考虑的组分较少,涡耗散概念模型计算的温度峰值要高于化学平衡模型的计算结果。两个模型计算的燃烧室室压、喷管出口总温等总体参数均与试验值接近。     

双脉冲发动机燃烧室局部烧蚀特性分析

针对双脉冲发动机第一脉冲燃烧室内绝热层出现局部烧蚀加重现象,对φ203 mm和φ120 mm的2种双脉冲发动机内流场特性进行了仿真,分析了面积突扩在其燃烧室内形成的燃气漩涡流动及相关两相流特性,并通过经验公式计算了燃烧室对流换热分布.通过对比计算结果与实验现象,发现壁面烧蚀加重区域与燃气漩涡区位置基本重合;燃气漩涡区内...     

气氢/液氧同轴喷注器变工况燃烧流场相似性

为研究不同室压工况下气氢/液氧燃烧流场的相似性,设计了喷注器试验件,并采用数值仿真和热试验的方法对气氢/液氧喷注器的喷雾燃烧流场进行了研究。数值仿真选取试验件的1/6进行三维稳态计算,其中湍流模型采用SST k-ω模型、化学反应采用考虑氢氧6组分9步反应机理的涡耗散概念模型、液氧液滴采用离散相模型,共进行了2.8～9.8 MPa范围内8种典型工况的数值仿真。热试验采用气氢/液氧推进剂,进行了4.5 MPa、5.4 MPa和6.8 MPa这3种不同室压工况共4次挤压热试验,采用量热式水冷身部对燃烧室壁面热流进行了测量。仿真和试验结果表明：对于气氢/液氧同轴直流喷注器,在混合比、氢氧温度和喷注速度相同的情况下,当室压大于液氧临界压力时的燃烧流场具有相似性;而室压小于液氧临界压力时的燃烧流场与大于临界压力的燃烧流场结构存在差异。     

再生冷却推力室准二维传热数值计算

为了提高液体火箭发动机传热计算精度,建立了再生冷却推力室准二维传热计算的通用方法。冷却通道内考虑了冷却剂层间导热导致的温度分层效应,燃气侧对流换热既可采用传统Bartz公式,又可直接求解边界层控制方程得到热流密度,最终基于MATLAB开发完成了通用的再生冷却推力室准二维传热程序。利用该程序对某氢氧发动机进行了传热计算,并与一维传热程序和三维CFD传热计算结果进行了对比,结果表明：准二维传热计算方法可以计算出冷却通道内温度分层情况,冷却剂温升、流阻计算值与热试数据吻合较好,误差在10%以内,优于一维传热结果,验证了计算方法的有效性;直接求解边界层控制方程得到的热流密度与三维计算结果吻合较好;准二维传热计算时间短,效率高。     

液体火箭发动机自引射工作过程传热研究

建立了液体火箭发动机自引射工作过程传热分析模型。分析了圆柱型和二次喉道型引射器在不同冷却水流量下引射器的壁温和热流的变化,得到了引射器可靠工作的冷却水流量范围,引射器冷却水温升测试值和仿真值的一致性较好。     

小推力发动机膜冷却工程算法研究

为满足工程上对推力室内部传热流动分析的要求,应用分层流动理论,结合半经验传热和化学反应平衡模型,建立了分析小型液体火箭发动机推力室膜冷却的传热模型。以气氧/煤油发动机为例,初步实现了对定常情况下膜冷却过程的模拟。计算表明,冷却剂的质量分数,燃气的流动状态,喷注器尺寸等因素对冷却效果和发动机总体性能有重要影响。研究结果可为新一代小型液体火箭发动机的研制提供参考。     

层板发汗冷却推力室传热分析

对于采用层板发汗冷却的推力室,为了最大限度地减少冷却剂流量,理想情况是,应根据不同轴向位置的受热情况来分配冷却剂流量,以使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度内.本文运用有限体积法,对层板发汗冷却推力室内的燃气流动和壁面内的传热进行了数值模拟,同时通过调节冷却剂吹风比,使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度之内.为综合...     

某缩尺推力室燃烧和传热特性研究

为了研究冷却剂的流动方向和推进剂的质量流量对推力室燃烧和传热过程带来的影响,以某型氢氧火箭发动机的推力室缩比试验件为研究对象,对推力室的燃烧和传热过程进行了数值仿真。改变冷却剂的流动方向,最高壁面温度相差1.04%,最高壁面热流密度相差0.544%,冷却剂温升相差0.233%,出口压力相差3.803%,分析发现,改变冷却剂的流动方向,对推力室内部的燃烧过程和壁面传热效率影响很小,冷却剂的流动方向会影响壁面温度分布。推进剂质量流量提升22.29%,室压提升22.17%,燃烧效率降低0.55%,最高壁温提升9.16%,最高热流密度提升17.48%,冷却剂温升提高13.05%,分析发现,提升推进剂质量流量会导致推力室壁面温度和冷却剂温升的提高,由于缩比发动机反应空间小燃烧不够充分,提升推进剂质量流量会使燃烧效率有所下降。     

铣槽结构液体火箭发动机推力室壳体热应力分析

介绍了液体火箭发动机推力室铣槽结构热应力的数值分析方法,通过建立液体火箭发动机推力室的流场燃烧和导热理论模型,运用有限体积法考虑液膜冷却计算出发动机工作时的燃气、燃烧室壳体和冷却工质的温度场,将得出的结果作为壳体热应力计算模型的边界条件进行热应力场有限元分析。内、外壁温度的计算数据与实验结果基本相符。     

沉积速率及其对喷管壁温影响的理论研究

固体火箭发动机喷管的沉积不仅影响发动机工作性能也影响喷管壁表面和壁内的温度随时间的变化规律,本文根据沉积过程的传热模型计算了三氧化二铝在固体火箭发动机喷管喉部的沉积速率,与实验结果相符合,并计算了在沉积过程中喷管壁内温度分布随时间的变化过程,数值计算表明,在沉积的初始阶段由于凝相粒子所释放的热量将增加向喷管壁内的传热,温度上升比没有沉积时要快,随着沉积层的加厚逐渐阻挡气相向喷管壁的传热,而使壁内的温度随时间的增加有一个峰,理论与实验结论一致。     

气氧／甲烷同轴剪切喷注器燃烧特性数值模拟

对以气氧／甲烷为推进剂的同轴剪切喷注器进行了数值模拟,研究了喷注器设计参数对推进剂掺混燃烧、燃烧室壁面和喷注面板热载的影响。研究结果表明：氧喷注速度增大不利于推进剂的掺混燃烧,降低了燃烧效率,增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载：动量比增大提高了推进剂的燃烧效率,缩短了燃烧距离,但增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载;中心氧喷嘴管壁厚和氧喷嘴管的缩进,对燃烧效率有影响,但两者对燃烧室壁面和喷注面板热载影响不明显;对燃烧效率而言,特定情况下氧喷嘴缩进存在一最佳值。     

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.     

单喷嘴燃烧流场仿真研究

运用CFD技术,采用涡扩散（EDC,eddy dissipation concept）模型对某发动机单喷嘴燃烧的稳态燃烧流场进行了数值模拟,得到了燃烧室内的压力、速度、温度及燃气组分等参数的分布情况,并对其混合程度进行了评估。结构改进前后的计算结果对比表明,适当增加中心喷嘴的壁厚和缩进长度有利于燃烧室火焰的附着和提高燃烧室流场的均匀程度。     

膨胀循环发动机推力室传热优化

针对膨胀循环发动机推力室身部燃气侧的内壁增强换热结构和冷却剂侧的冷却通道结构这两个影响推力室身部换热最关键的结构分别进行多种结构下的数值模拟对比。通过分析各结构的模拟结果,得到了能够合理提高推力室身部换热能力的内壁加肋结构和圆柱段冷却通道深宽比的结构特征。