后燃对火箭发动机羽流红外特性的影响

为研究火箭发动机后燃羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解.计算中考虑了10种组分,使用有限速率化学反应模型对羽流后燃现象进行计算,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1~15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,与试验数据符合较好.在羽流近场内能够捕捉到辐射特性随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度.随着来流马赫数和飞行高度的增加,后燃引起的羽流红外辐射强度的增量均变小.     

真空环境下纳秒脉冲激光烧蚀典型材料的推进流场特性分析

为研究纳秒脉冲激光烧蚀典型材料推进流场瞬态流动过程,采用流场显示阴影技术,实现纳秒级时间分辨率、毫米级空间分辨率的流场演化信息定量测量,解决激光烧蚀推进羽流的时间、空间高分辨率测量难题。对典型金属材料铝和典型聚合物材料的流场特性进行测量分析,并研究激光能量密度对羽流特性的影响。在典型时间尺度上,定性分析激光作用典型材料羽流特征与推进性能之间的关系。由于纳秒激光峰值功率高,当烧蚀金属材料Al时容易形成高温高压的等离子体羽流,等离子体喷射速度超过17km/s,等离子体羽流在百纳秒时间尺度离开靶面,对靶的力的耦合结束;当烧蚀聚合物PMMA和PVC材料时,PVC材料羽流喷射以等离子体和细小颗粒为主,喷射量较大且集中、方向性好,实验测量得到PVC工质真空羽流速度达到1500m/s,因此带来的反喷冲量以及推力都会较高。     

空间发动机羽流场的试验研究

为研究空间发动机羽流对卫星的影响,建立羽流污染预报系统,研制了一套羽流试验系统并进行了试验研究.试验台主要包括空间环境模拟系统,电热气体发动机,稳压气源,轴向和径向移动装置,测量系统和温控系统.系统可在满足10-3Pa量级的真空压力和93±5K的背景温度下稳定运行和精确测量.本文完成了表征羽流特征的关键参数-压力场的测量.同时采用CFD和DSMC相结合的方法进行羽流场的数值模拟计算.测量数据与数值计算结果以及相似试验条件下Boyd等人的测量结果进行了对比.     

估计飞行器羽流影响的点源流动模型和计算机程序

目前和今后使用火箭发动机进行轨道和姿态控制的空间飞行器都要遇到发动机排气羽流影响问题.本文讨论了一种迅速估算轴对称的羽流远流场对飞行器影响的近似分析方法和相应的计算机程序.这种点源分析方法考虑了排气气体和喷管的特性.通过计算发动机排气羽流场,计算排气羽流干扰力矩和推力损失,这些影响在飞行器设计中必须给予考虑和控制.利用该方法和计算机程序对一个卫星模型进行了羽流影响的计算.     

湍射流的三维LDV测量

对于湍射流下游（即喷口距离大于50倍直径处）的平均速度、脉动速度等流场性质的实验研究较多，而关于射流上游（喷口距离6倍直径内）的实验数据较少。为了测量低速湍射流的平均速度和脉动速度等流场性质，本文利用三维激光多普勒测速系统（3D LDV）对直径21mm的射流进行了湍流测量和流场分析，引入频移技术来确定速度的方向，因所用系统测量的三个速度分量彼此并不相互垂直，故进行了相应坐标变换，同时对测量系统装置和测量基本原理及实验方法进行了介绍，给出了流场脉动速度和湍流度等的实验结果。结果表明低速近喷口处湍射流的三个脉动速度分量、平均流速、射流宽度、雷诺应力等均呈规律性变化。     

三组元双工况火箭发动机羽流发射光谱实验研究

为研究火箭发动机故障的羽流光谱诊断技术，对三级元双工况火箭发动机羽流发射光谱进行了实验测量。结果表明娄发动机有异常杂质进入羽流时，羽流光谱中有该物质的显著特征光谱；同时，正常情况下羽流辐射光谱随发动机不同结构、不同工况及不同工作参数而表现出不同的特征光谱。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

固体火箭发动机环缝式气动喉部研究

对固体火箭发动机气体二次流控制的环缝式气动喉部方案进行了数值模拟.研究了二次流不同喷射位置、角度、流率及喷嘴几何参数对气动喉部调节性能的影响规律.计算得到了气动喉部的流场特征,即气动喉部的声速线起点在二次流喷口的下游,并得到了气动喉部特征存在的喷注范围.结果还表明使二次流的喷入位置越靠近喉部、增大二次流流量或减小喷射角度都能明显增加气动喉部调节性能.      

高超声速飞行器DPIV内流阻力测量技术研究

为了研究吸气式高超声速飞行器的气动特性,提出一种新的内流阻力测量技术,即采用粒子图像测速技术和总压测量技术相结合,测量超燃发动机尾喷管流场速度矢量和皮托压力分布,间接获得内流出口处平均马赫数和内流出口处静压平均值,从而实现高超声速通气模型内流阻力测量。研究结果表明:粒子图像测速技术和总压测量技术相结合,成功地实现了内流阻力测量;试验获得的粒子图像,能够清楚地显示喷管出口位置内外流的分界面及边界层和边界层的尾迹;粒子图像测速试验获得的速度矢量场结果准确,精度高,能够提供远远超出传统测量技术所能提供的流场信息。      

卫星姿控发动机混合物羽流场分区耦合计算研究

研究求解喷管内流场N-S方程数值计算方法,发展基于N-S方程物面边界滑移流理论计算技术。提出求解羽流核心区轴对称DSMC模拟方法与远场三维DSMC仿真方案,发展多组元混合物羽流DSMC仿真方法。研究求解卫星姿控发动机内外近场、远场、倒流区和物面相互作用影响区多流域流场分区耦合计算技术,建立了一套用于求解混合物燃气羽流及对太阳电池帆板与卫星体表面撞击污染影响数值模拟方法。通过对分别安装于某在轨卫星不同位置两个典型姿控发动机燃气五组元混合物羽流计算研究及相关结果对比分析,证实本文数值方法可靠性。     

RBCC发动机亚燃模态一次火箭引导燃烧的实验

针对使用液体煤油燃料(JP-10)的火箭基组合动力循环(RBCC)发动机在亚燃模态下使用一次火箭作为引导的燃烧组织开展了实验研究.实验在低来流总温条件下,使用小流量一次火箭羽流作为引导火焰可以实现液体煤油的可靠点火和稳定燃烧,并在扩张燃烧室中实现“热力壅塞”,从而完成RBCC发动机亚燃模态的高效燃烧.在目前发动机燃烧室构型下,通过一系列的发动机壁面压力分布曲线和推力增益的比较,研究了凹腔,支板及壁面喷注位置对发动机性能的影响.实验的结果表明:在一次火箭的下游使用支板喷注器可以使得燃料较容易的分布在主流中,并且在一次火焰羽流的引导下可以实现稳定高效的燃烧.支板喷注器的位置对于发动机的性能有很大的影响,在凹腔前壁面横向喷注燃料,有利于RBCC发动机燃烧性能的提升.为了获得较优的发动机亚燃模态性能,需要进一步对燃料的喷注策略开展优化研究.      

三级轴向旋流燃烧室流场结构研究

为深入了解燃烧室内流场,研究不同来流状态对燃烧室流场结构的影响,基于粒子成像速度仪(PIV)技术,对采用三级轴向旋流器的航空发动机燃烧室进行流场测量,分别在Case 1常温低压(0.49MPa)、Case 2常温中压(0.98MPa)、Case 3常温高压(1.64MPa)、Case 4全状态(高温813K高压2.78MPa)来流条件下进行。研究结果表明,同一燃烧室模型在不同速度、温度和压力来流下有基本相同的流场结构,但在中心回流区尺寸、角落回流区尺寸、主燃孔和掺混孔射流等细节方面仍有明显差异,来流压力较高的流场中心回流区向下游扩展更深入,角落回流区被压缩,主燃孔和掺混孔射流速度增加且进气比例增大。     

离子发动机羽流特性的数值模拟

离子发动机羽流中产生的交换电荷(CEX)离子返流会影响航天器的正常工作.建立离子发动机羽流模型,采用单元内粒子方法(PIC)对羽流场进行数值模拟计算.结合DS-1探测器飞行实验的测量结果,分析了卫星电势、电子温度、卫星几何尺寸、推力器工作特性等对相关因素对CEX离子返流特性的影响.结果表明:从推力器出口附近到卫星背面,CEX离子密度为108~1012m-3.当卫星电势从-15V变化到27V,测量点位置处CEX离子密度从0.65×1012m-3变化到1.5×1012m-3.羽流中CEX离子密度和电势结构随电子温度变化不大,但电势大小随电子温度成比例地变化.同一位置处不同工况下CEX离子的密度可根据CEX离子生成率与工作点参数间的关系式准确地估计.卫星安装推力器的表面起着对CEX离子返流屏蔽和降低的作用.      

纳秒激光烧蚀铝靶羽流流场能量转化过程分析

为研究高能脉冲激光烧蚀铝靶材瞬态流动过程和形成的羽流流场能量转化过程,采用阴影法对纳秒激光烧蚀铝靶羽流膨胀及演化过程进行研究,得到烧蚀流场演化时序图;利用动量守恒方程,建立烧蚀羽流在环境气体中膨胀模型。由实验测量结果,通过对流场参数的无量纲化处理,分析得到烧蚀流场无量纲羽流动能、环境气体动能以及热能之间的能量转化过程。研究表明,初始时刻,由于烧蚀压要远大于环境气压,羽流膨胀与真空中的自由膨胀行为类似,此后,羽流动能逐渐转化为环境气体动能和热能;当无量纲激波半径为1时,羽流的无量纲动能等于被羽流推起的气体的动能,而热能约等于总能量的1/2,最终全部转化为羽流和环境气体热能。     

浮力修正湍流模型在航空发动机火灾模拟中的应用

由于发动机舱的火灾是典型的热驱动的浮力羽流,从探索浮力羽流的模拟方法出发,针对热羽流的基准试验,比较验证了3种基于浮力修正的2个方程湍流模型;利用pre PDF燃烧模型,模拟验证了Purdue甲烷火燃烧试验;以RR公司Trent 800发动机的1/2缩比短舱着火试验器为原型,采用RANS方法对由燃油泄漏引起的油池火进行了模拟计算,重现了短舱火灾的主要物理过程,并与试验测量的速度及温度结果进行了对比,验证了计算方法的准确性,并进一步分析了影响模拟结果的主要原因:湍流模型与燃烧模型能否准确计算近火源区域的火焰锋面状态,直接影响空气卷吸及下游火羽流的温度与速度。应用CFD技术,可以从防火设计的角度优化通风系统及短舱附件的布局。     

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

高空羽流场的DSMC计算和实验研究

以小推力发动机的高空羽流场为研究对象，实现了高空小喷管氮气流DSMC方法数值模拟，验证了DSMC方法在高空膨胀流中的可用性，并在现有设备基础上，进行一组高空羽流试验，给出试验与计算的对比结果。结果表明：喷管出口附近能得到满意结果，由于实现设备能力所限，远场试验没有达到预期效果。     

基于地外天体起飞的真空羽流导流技术仿真与试验研究

针对着航天器发动机羽流导流问题,基于工程经验提出了四种典型导流装置型面(包含内凹槽形式和导流锥形式等),利用计算流体动力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞过程中羽流导流带来的气动力和气动热效应进行了数值模拟,并对不同导流装置情况下羽流场激波、航天器表面压强和热流密度分布规律进行了分析,给出了四种导流装置的导流效果评价。最后以导流锥形式开展试验,对仿真算法进行了验证。结果表明：羽流导流并没有导致发动机燃烧不稳定;综合考虑航天器羽流和发动机安全性,大导流锥导流的方案最优;在导流锥附近的激波位置及形态和仿真一致,仿真与试验的变化趋势一致,仿真算法可信,数据规律可以作为工程参考。     

一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游流动特征的影响

为探索一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游流动特性的影响,采用PIV测速技术对小尺寸旋流杯下游速度分布特征进行了试验测量。结果表明:不同入射半径的一级旋流会形成扩张流场或扩张-收缩-扩张流场;入射半径方向相反、数值不同将对旋流杯下游流动产生不同影响;旋流杯下游流场涡量分布与同一方案的速度分布相似,旋流杯出口平均涡量较强的旋流沿流向涡量逐渐衰减,且速率变缓;不同一级旋流入射半径的旋流杯方案的平均涡量变化趋势基本一致。在所研究的试验状态下,一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游速度和涡量分布特征产生了较大的影响。     

用Simons法计算真空羽流

姿态控制发动机真空环境下工作产生的羽流对航天器造成的影响非常明显，用Simons法对真空羽流流场进行了解析计算，包括等熵核心区和边界层膨胀区的计算，得到了符合流动规律的结果，这是一种快速计算真空羽流场物理参数分布的方法，工作对卫星、飞船和空间站上的姿态控制发动机的工程设计和科学实验具有参考价值。