固体火箭发动机推力振荡特性数值研究

为了揭示固体火箭发动机推力振荡特性,以大型助推器P230的缩比发动机为基础,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数值模拟,通过对比燃烧室压力、推力的振频和振幅,总结了推力振幅的估算方法.研究结果表明,推力振幅对压力振幅放大机理的关键参数是喉通比,放大比例与喉通比成反比;奇数阶声振型对推力振幅的贡献最大,偶数阶声振型对推力振幅的影响可以忽略,旋涡脱落对推力振幅的作用小于奇数阶声振型,且随涡/声耦合程度的增大而增强.     

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。     

高超声速球锥组合体流场数值分析

用数值模拟法研究了高超声速球锥组合体的层流流场特性与热行为,给出了流场计算方法与格式。研究结果表明：球锥组合体压缩拐角在高超声速下出现流动分离,其流动特性受壁面温度的影响极大;提高壁面温度使压缩拐点处分离点位置前移,再附点位置后移,涡心位置提高,分离范围扩大,同时降低球锥组合体热流的分布,球锥组合体头部热流明显减小。     

捷联惯导位置更新中的二子样涡卷补偿优化算法研究

研究了高动态环境下捷联惯导位置更新中的涡卷补偿算法。首先,给出了以地理坐标系为导航坐标系的位置更新算法;然后,基于曲线拟合的思想方法,推导了位置更新的二子样和三子样涡卷补偿算法,并且在划船运动(一种引起涡卷效应的典型高动态环境)下对二子样涡卷补偿算法进行优化,提出了位置更新的二子样涡卷补偿优化算法。仿真结果表明,二子样涡卷补偿优化算法的精度要比二子样涡卷补偿算法高,而其计算量与二子样涡卷补偿算法相当。     

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。     

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。     

DBD等离子体非定常激励下的平板流场结构分布研究

文章采用DBD等离子体简化模型,基于大涡模拟方法,对DBD等离子体作用下的流场进行数值模拟研究,探讨等离子体非定常激励作用下平板流动的流场结构特点。结果表明:等离子体作用下,在近壁区形成了一系列的正负涡对结构,涡对的产生促进了近壁区内流体与主流流体的能量交换,时均结果表现为从等离子体作用点形成向下游发展的壁面射流;在等离子体作用点下游0.5b的位置,等离子体最大诱导速度UDBD随激励强度Dc呈指数形式增加。     

电子束焊接熔池流场数值模拟研究

基于电子束焊接"钉型"焊缝特征,建立了高斯面和旋转高斯衰减体复合热源模型,采用ANSYS FLOTRAN CFD有限元软件,对焊接熔池流场进行了数值模拟,研究了熔池内液态金属在温度场作用下涡漩流动过程,电子束、熔池、液态金属蒸汽之间相互作用关系,电子束匙孔效应、匙孔壁能量传递方式,熔深方向液态金属流动机理等;将316L不锈钢热物性参数输入复合热源模型,通过仿真计算,得到了316L不锈钢焊接工艺规范,即加速电压为60 kV,电子束流为30 mA,焊接速度为8 mm/s,采用该规范焊接的316L不锈钢试件焊缝拉伸强度为425 MPa,满足设计要求。通过对比数值模拟与实际焊接结果表明:模拟熔池形貌与实际焊缝形貌一致,数值计算结果与焊接试验结果相吻合,从而证明复合热源模型是正确和适用的。     

可压缩流涡流冷壁发动机数值模拟

为深入探索入射倾角、入射压降、发动机圆柱段长度等参数与涡流冷壁发动机内双向涡流结构特征量之间的内在关系,以三维物理模型为基础,进行了可压缩流涡流冷壁发动机冷流数值模拟。在前期湍流模型选择中,比较了RSM模型、带旋流修正RNG k-ε模型、RNG k-ε模型3种模型的可信度,从准确度和经济性两方面综合考虑选择带旋流修正RNG k-ε模型作为计算模型。研究发现,切向速度及最大切向速度均随入射倾角的增大而减小,随入射压降增大而增大,随长径比的增大而减小。不同入射倾角、不同入射压降、不同长径比下,整个发动机内最大切向速度的无量纲径向位置均恒定在0.19附近。对于不同长径比工况,长径比为1.0时,最大切向速度从发动机顶端到入射口附近逐渐增大,长径比为1.5时,最大切向速度从发动机顶端到入射口附近先增大、后减小。切向速度及最大切向速度的轴向衰减率维持在3%以内。无量纲涡幔半径从发动机顶端开始线性增大到入射口附近,变化范围为0.71~0.82。入射倾角相同时,随入射压降的增大,燃烧室长径比对最大切向速度大小的影响将随之增大。     

发动机高模试验技术研究

基于ANSYS软件平台,建立了发动机高模试验系统传动轴强度和疲劳数值仿真模型,并进行了数值仿真与分析计算,研究了传动轴强度和疲劳与位移之间的关系,得出了传动轴设计准则.通过对发动机高模试验系统扩压器与氮气破空设备的研究、分析与计算,得出了储能气缸和氮气破空环管的设计准则.采用该设计准则设计的发动机高模试验系统解决了发动机试验启动过程压力过高、回火严重、发动机喷管变形等问题,试验系统满足发动机设计对高模试验的要求.通过该试验系统考核的发动机已成功应用于发射卫星的运载火箭系统.     

GH2／GO2涡流冷却推力室设计与数值计算

涡流冷却是一种新型液体火箭发动机推力室冷却技术。采用该技术可以简化推力室结构、降低成本,并可提高系统可靠性。对涡流冷却推力室进行了初步设计,并采用PDF非预混燃烧模型和DO辐射模型对所设计的推力室进行了数值仿真。根据计算结果：推力室内部形成了双向涡流;推力室圆筒段壁面温度低于760K;在考虑辐射条件下,推力室圆筒段壁面温度平均升高约140K,最高温度低于900K;涡流冷却技术是可行的,但目前存在燃烧效率相对较低的问题。     

涡流对固体燃料冲压发动机性能影响分析

通过对固体燃料冲压发动机内流动和燃烧过程的数值模拟,研究了涡流对发动机性能的影响。主要讨论了发动机推力和比冲、固体燃料的平均后退速率和燃烧效率对旋流强度的依赖关系,还对推进剂燃速沿轴向的分布进行了考察,并与无旋条件进行了比较分析。结果表明,小强度的涡流能明显提高固体燃料燃速和发动机推力,但强度过大,涡流反而会给发动机性能带来不利影响;涡流增强燃烧作用主要体现在装药后段。     

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。     

涡流阀变推力发动机涡流室涡流结构分析

为了研究涡流阀变推力发动机涡流室流动,利用建立的径向压强测试实验装置和三维数值计算模型,进行了涡流室压强分布和涡流结构的研究,获得了涡流室径向压强分布及涡流室旋涡结构.研究结果表明,涡流室内压强分布呈现出中心较小区域变化剧烈,而其余大部分区域变化不明显的现象;流场中心区域存在涡核结构,减小了喷管有效喉部面积,即实现推力...     

煤油/氧气同轴离心喷嘴燃烧数值模拟

为了更好地了解同轴离心喷嘴的工作特性,基于DDES模型研究了油气比分别为0.5、1、1.5下以煤油/氧气为推进剂的喷嘴的流体动力学特性与非预混燃烧特征。研究结果表明:由于旋流离心作用,在喷嘴出口轴心处和燃烧室顶部分别存在一个驻定涡和角涡,驻定涡径向分布在0.9 R~1.4 R,轴向尺寸在-1 R~14 R,随着燃料流量增大,驻定涡会向喷嘴内部推进,并且径向尺寸也会扩大。燃烧计算结果表明,随着燃料流量增大,推进剂的掺混拖曳区变长、掺混效果变好;而由于油气比的增加,燃烧室更加富油因此燃烧温度有所下降,同时火焰前锋向喷嘴内移。     

垂直发射水下航行体的通气空化数值模拟研究

基于均相流模型对垂直发射水下航行体周围的通气空化流动进行了三维数值模拟,通过与试验得到的压力数据比较验证了数值方法的可靠性,并讨论了通气时序对通气空化流场的影响。结果表明:计算结果与试验吻合较好,通气能提高空泡内压力且不同位置压力一致,空泡末端存在回射高压;随着通气时刻提前,泡内压力和回射高压增大;空泡的发展过程伴随着旋涡的形成与演变,通入空泡的气体有3种流向,气体的运动导致空泡内产生多个旋涡,旋涡的种类可以分为3类。     

高超声速飞行器激波控制减阻技术

针对高超声速飞行器巨大的激波阻力，采用数值方法研究了由钝头体、气动杆和侧向喷流构成的组合模型的减阻性能。侧向喷流将弓形激波推离气动杆，组合模型的再附激波明显弱于传统气动杆模型，其阻力系数比气动杆模型低了33.52%，从而验证了本文组合模型优异的减阻效率。进行了组合模型的影响因素分析，随侧向喷流总压比和气动杆的长度的增加，再附激波强度减弱，减阻效率升高，但减阻效率的变化速率逐渐减小。随喷口位置向下游移动，再附激波逐渐增强，减阻效率降低，且减阻效率的变化速率逐渐增加。此外本文还研究了以上参数对流场结构及钝头体压力峰值位置的影响。     

不同主流速度下障碍涡脱落冷流实验研究

采用冷流试验系统研究了不同主流速度对压强振荡的影响,并通过在流场中加入示踪粒子,且运用连续片光流动显示技术和高速数字摄像技术获得了试验器中流场的旋涡运动情况.实验结果表明,随着主流速度的增加,旋涡脱落的频率相应升高.同时,对比压强测试结果与高速摄影结果,发现当旋涡脱落的频率接近实验器声场的某一阶固有频率时,就可能引起压...