固体微推力器气粒两相羽流场的数值模拟

采用DSMC/EPSM混合算法,结合稀薄流中气粒耦合作用模型,开展了固体微推力器羽流场中气粒两相稀薄流动的数值研究,研究了羽流场中气粒两相参数的分布规律和气相组分分离效应.结果表明,气相与颗粒相间的动量传递导致颗粒相的轴向速度显著增加,两相间的能量传递导致颗粒相的温度降低,气相对颗粒相作用显著;由于燃气中颗粒相含量较少...     

基于稀薄气-粒两相流的蒙特卡洛颗粒辐射模型研究

在气-粒两相相变模型及液态和固态颗粒碰撞、聚合和分离模型的基础上,发展稀薄条件下考虑颗粒辐射的蒙特卡洛颗粒辐射模型。通过对高超声速稀薄环境中的气-粒两相喷流流场的数值模拟,得到气-粒两相流的流场参数,利用所得流场参数作为颗粒辐射模型的初始参数进行颗粒辐射计算,同时考虑了有无探照发射时的光谱辐射强度。结果表明,在颗粒浓度较大时计算两相稀薄流的流场参数,考虑颗粒辐射是必要的,并且考虑有无探照发射对光谱辐射强度数值的影响。     

纳米铁基金属燃料发动机喷管两相流特性数值模拟

针对纳米铁基金属燃料发动机技术,建立颗粒燃烧模型与喷管两相流动控制模型,基于VC++软件自主编程,对纳米铁基金属燃料发动机喷管内颗粒相速度、颗粒温度、颗粒粒径、质量传递速率、颗粒速度滞后、温度滞后、流体密度、压强、雷诺数、马赫数、气相速度、气相温度等参数进行模拟仿真,重点研究了0.4～1.0 μm颗粒粒径和10～40凝...     

高温固体颗粒气动阻力系数数值计算

在发动机喷管的气粒两相流场中,金属颗粒阻力的准确计算对整个流场的模拟有着重要作用.而高温颗粒与周围气相的传热会改变气相的性质,进而影响颗粒的气动阻力.采用k-ε湍流模型和强化壁面处理方法,计算了雷诺数Re在0～10 000范围内,颗粒与气相不同温差情况下球形单颗粒的气动阻力系数.颗粒温度升高,颗粒所受的气动阻力随之增加,但是增加的幅度随Re的增加而减小;根据计算结果,拟合了以颗粒雷诺数为自变量的高温颗粒气动阻力系数的计算公式.通过与低Re下的实验数据的对比,验证了所拟合公式的适用性和可信性.     

固体火箭发动机喷管内气粒两相流动的CFD-DSMC模拟

气相采用Jameson中心差分格式和显式Runge-Kutta法求解可压缩的雷诺时均N-S方程,颗粒相采用DSMC方法描述,采用PSIC耦合算法模拟了JPL喷管中的气粒两相流动,得到了气相和颗粒相的参数分布规律.结果表明,流场中颗粒相含量越高,颗粒相对气相的阻碍和加热效应越显著,导致气相马赫数降低、温度升高；在相同颗粒...     

宽粒径范围颗粒对气相膨胀的影响

利用双流体模型对固体火箭发动机喷管内气固两相流进行计算,研究了两相流中颗粒相与气相的相互作用,分析了颗粒粒径及颗粒质量分数对两相流中气相在喷管中膨胀的影响。结果表明,颗粒粒径造成两相流损失的大小是颗粒比表面积、气相湍流动能及颗粒在喷管内的滞留时间等因素共同作用的结果,两相流损失随着颗粒粒径的增大先增大、后减小,同时随着颗粒质量分数增大而增大;JPL喷管中粒径为2μm的颗粒造成的两相流损失最大,此粒径下,当颗粒质量分数从10％增大到40％时,两相流损失从10％增大到26％。     

羽流中固体颗粒在真空环境下分布的数值仿真

通过对气?固两相间动量和能量相互作用解耦处理,建立了一种适于模拟真空环境气固两相混合物羽流的DSMC双向耦合算法与固体颗粒空间输运变化特性的TPMC计算技术。仿真了固体火箭发动机两相羽流流场和固体颗粒在远离发动机喷口数十公里空间扩散运动分布特性,通过将计算结果与典型文献结果及理论分析比较确认,证实本文方法的准确可靠性。结果表明,固体颗粒对气相的扩散有一定的阻滞作用;仅在离发动机喷口一定距离,气相对固体颗粒有较大影响,致颗粒温度下降、速度增加;颗粒温度随发动机喷口距离增大而减小,一直要在远离喷口上百公里颗粒温度才随轴向位置趋于平衡,且不同尺寸的颗粒温度差别较大,对指导外层空间高真空环境气固两相羽流传输影响工程研制具有重要意义。     

固体火箭发动机羽流红外辐射特性研究

考虑了羽流组分间的化学反应,应用Roe-FDS格式求解羽流场,再用羽流场参数作为输入条件,采用离散坐标法和谱带近似法对固体火箭发动机羽流在光谱2～5μm内的红外辐射特性进行了计算,羽流气相辐射强度随波长变化规律的计算结果与实验值基本一致。计算结果表明,不同羽流位置点的光谱辐射强度随波长变化规律一致,纯气相辐射强度在2.7μm和4.3μm处出现峰值,随羽流场轴向和径向尺寸的增大而减小,在其他波段无明显变化规律;气相与粒子总辐射强度随波长的增大而减小,其辐射强度远大于纯气相的辐射强度;观测方向与羽流轴线夹角的方位角增大,红外辐射强度减小。     

固体火箭发动机尾焰红外辐射特性预估研究

运用离散颗粒模型对固体火箭发动机及尾焰两相流进行了一体化仿真,得出了各燃气组分和Al2O3颗粒的流场参数分布.通过建立固体火箭尾焰红外辐射模型,计算出了二维轴对称尾焰的光谱辐射亮度.研究表明,颗粒辐射起着主导性作用,颗粒尺寸越小,在4.3 μm波长处气相辐射作用越明显;燃烧室内燃面颗粒速度越大,尾焰辐射越弱;颗粒尺寸越大,颗粒辐射越强,但随燃面颗粒速度增大,辐射降低越快.所得结论与相关文献数据一致,表明计算模型和方法可行.     

金属颗粒燃烧过程表面曳力变化的数值研究

为了考察固体火箭发动机内金属颗粒在生长过程中所产生的非球颗粒受力问题,采用数值模拟方法,在通过和文献及实验数据对比验证确定最佳计算模型的基础上,对初始半径为100μm的铝颗粒处于不同相变燃烧阶段时所受到的曳力进行对比分析。结果表明,在多相流场中,非球颗粒表面可能存在两处压力为零的点,曳力系数普遍大于其当量直径颗粒的计算结果,当颗粒外形严重偏离球体时,经验公式计算所得的曳力系数有失精准,需进行相应修正。     

微型固体姿控发动机微喷管内气粒两相流动规律的CFD-DSMC研究

微型固体姿控发动机在航天领域具有广泛的应用前景。以基于MEMS技术的微喷管为研究对象,首先通过计算微喷管中的克努森数,得到了微喷管中的气相流动状态;然后,采用CFD-DSMC方法,模拟了微喷管中的气粒两相流动,并研究了颗粒相质量分数和粒径对气相流动的影响。结果表明,在所研究的来流条件下,微喷管中的连续介质假设是成立的;气相与颗粒相间的动量和能量交换,导致气相马赫数降低、温度升高,同时也导致颗粒相速度增加、温度降低;颗粒相质量分数和粒径均能显著影响气相的马赫数和温度。     

不同聚集因素对燃烧室凝相颗粒粒度分布的影响

设计了一种凝相颗粒收集装置,可对燃烧室内不同聚集状态下的粒子进行完整的收集,并对颗粒的形态影响较小。针对HTPB推进剂,开展了不同流通面积和颗粒浓度条件下的粒子收集实验,利用扫描电镜和激光粒度分析仪,对收集到的粒子进行了分析。结果表明,不同聚集状态下的凝相颗粒粒径均分布在0.1～200μm之间,随着流通面积的减小,小于3μm的颗粒逐渐减少,3～10μm之间的颗粒变化不大,大于10μm的颗粒逐渐增加,颗粒平均粒径d43和d50均逐渐增大,且d43和d50的变化率也逐渐增加;随着颗粒浓度的增加,颗粒平均粒径d43和d50增大较明显。     

固体火箭发动机燃烧室凝相颗粒燃烧特性分析

进行了燃烧室收敛段沿径向不同部位的颗粒收集实验,并利用马尔文激光粒度分析仪、扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对凝相颗粒进行了分析。研究结果表明,在6.8~7.5 MPa下,含铝量17%的HTPB推进剂燃烧产物粒径分布范围在0.27~300μm之间;燃烧室收敛段中心区域凝相颗粒平均粒径比壁面附近区域的小;大多数凝相颗粒为表面光滑、外形规则的实心球体,在燃烧过程中粒径超过40μm的大颗粒易发生开裂破碎等外形变化;在本实验条件下,仍有单质铝存在,铝颗粒的燃烧效率随着压强的升高而增大。     

固液捆绑火箭上升过程喷流干扰特性及底部热环境研究

固体喷流和液体喷流的来流与喷流之间相互干扰，在喷流交汇碰撞区域使流场温度、压力特性发生变化，对箭体底部的加热效应增强。特别是含有固体颗粒的固体助推器喷流与液体芯级喷流混合，对传热特性产生明显影响。本文用连续相模型模拟气相、离散相模型(DPM)模拟固体粒子相、DO模型模拟含有固体粒子的介质辐射，对固液捆绑火箭在上升飞行过程中的气固两相喷流的演变过程进行仿真研究。仿真结果表明:在不同的发动机组合之间出现高温区域，并随着喷流扩张和飞行高度增加，高温区向箭体底部移动，喷流中小粒径固体颗粒分布在喷流与空气的边界混合层区域，大粒径固体颗粒分布在喷流交互中心区域，底部最大对流热流密度与辐射热流密度为90 kW/m²和400 kW/m²。将仿真实验结果与飞行试验数据进行了对比分析，发现两者吻合较好，验证了仿真结果的准确性。     

固体火箭发动机燃烧室冷态突扩气固多相流动的数值模拟

基于欧拉-欧拉双流体方法,建立固体火箭发动机燃烧室轴对称突扩气固多相流动的统一二阶矩两相湍流模型,采用k-ε双方程模拟气相湍流流动和颗粒相湍流雷诺应力kpg方程描述大尺度颗粒湍流运动、小尺度颗粒各向异性弥散特性以及气固相间作用。数值模拟了突扩流动中的颗粒轴向、径向平均速度和脉动速度以及颗粒-气相脉动速度关联轴向分量的分布特性,计算结果与试验吻合较好。研究结果表明:颗粒轴向速度脉动大于径向速度脉动,轴向平均速度梯度影响脉动速度峰值的发生位置和大小;两相脉动速度关联轴向分量大约是径向分量的2倍。     

粉末燃料冲压发动机内镁颗粒群着火模型

对粉末燃料冲压发动机中镁颗粒群的着火过程进行了研究,建立了镁颗粒群的非稳态着火模型,数值模拟了镁颗粒群的着火过程。研究表明,颗粒相温度先缓慢升高,表面反应加剧之后,温度才急剧上升,很短时间内着火成功;而着火过程中气相温度整体升高不大,其温度总是低于颗粒相温度且升温很慢,特别是着火阶段后期,气相的升温速率远小于颗粒相的升温速率,分析了各种参数变化对颗粒群着火的影响。随颗粒浓度的增加,颗粒群的着火时间缩短;但当颗粒浓度太大时,颗粒群将不能着火成功。气相中氧气浓度对着火的影响很小,特别是颗粒浓度大的情况,氧气浓度对着火几乎没有影响。辐射源温度和气相初始温度对颗粒群着火的影响很大,两者的温度高,则颗粒群着火时间将大大缩短,但当颗粒浓度很高时,气相初温变化对颗粒群着火时间的影响将不再显著。颗粒粒径对颗粒群着火的影响较复杂,颗粒浓度大时,小颗粒颗粒群易于着火,而颗粒浓度小时,大颗粒颗粒群着火时间更短。     

随机颗粒轨道模型在长尾喷管发动机流场计算中的应用

应用随机轨道模型对长尾喷管发动机长尾段内的轴对称两相流动进行了数值模拟,并对确定轨道和随机轨道获得的计算结果进行了对比分析,研究了10、30、50、80、100μm不同直径颗粒及3种不同颗粒直径分布下颗粒的运动轨迹和颗粒在壁面聚集浓度的区别。研究表明,随着颗粒直径的增加,颗粒的随流性变差,惯性增强,湍流脉动对颗粒的作用减小,不同颗粒轨道模型获得的计算结果区别明显,尤其是喷管扩张段的差异;随机轨道相对于确定轨道获得的结果,流场中几乎不存在无颗粒区域;不同颗粒直径的分布形式对计算结果影响也较明显;颗粒和壁面碰撞的形式主要为小直径颗粒主要受湍流脉动的作用,大直径颗粒主要是由于惯性的作用。     

射流推力矢量喷管中粒子运动轨迹的数值模拟

用颗粒轨道模型对基于激波控制的二维收缩-扩张(2-DCD)喷管中的气固两相流动进行了数值模拟,研究了1～60 μm不同直径颗粒的运动轨迹.研究表明,颗粒尺寸越小,粒子的随流性越好;颗粒尺寸越大,主流中的粒子与收缩段壁面碰撞越剧烈,无粒子区越大,二次流中的粒子对下壁面的碰撞越剧烈.     

含微米级铝粉丁羟推进剂燃烧效率影响因素研究

理论计算丁羟推进剂组分对凝聚相产物的影响,利用充氮气密闭装置收集含微米级铝粉丁羟推进剂燃烧残渣,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分别对残渣形貌及物相分析,并采用激光粒度仪测试燃烧产物平均粒径,研究铝粉粒度及含量、燃速催化剂含量、氧化剂级配等因素对微米级铝粉在推进剂燃烧过程团聚及燃烧效率影响。结果表明,丁羟推进剂理论生成凝聚相产物随铝粉含量增加而增加,随燃速催化剂含量增加而降低;当推进剂中铝粉含量由18%降至6%,推进剂燃烧残渣团聚颗粒尺寸由112.58μm降至79.03μm,残渣中单质铝相对含量由10.6%降至1.4%,铝粉燃烧效率由82.1%提高至97.1%;铝粉粒度由14μm增加至34μm,推进剂燃烧残渣团聚尺寸从65.24μm增加至92.14μm,推进剂燃烧残渣中单质铝相对含量由2.4%增加至5.1%,铝粉燃烧效率由95.0%降至89.5%;燃速催化剂含量由0.5%增加至2.0%,推进剂燃烧残渣团聚颗粒平均尺寸由112.56μm下降至70.12μm,残渣中单质铝含量由5.1%降至3.5%,铝粉燃烧效率由90.3%增加至93.3%;当粗粒径AP与细粒径AP比例由9∶1降至9∶4时,推进剂燃烧残渣团聚颗粒尺寸由234.21μm降至87.16μm,残渣中单质铝相对含量由8.9%降至2.9%,铝粉燃烧效率由84.4%提高至94.7%。     

提升微波固放电路电流承载力的复合膜层结构

随着卫星应用水平的不断提高，星载微波固态功率放大器（固放）的应用功率不断增大，对于固放电路的电流承载力提出了更加严苛的要求。基于对星载微波固放电路电流承载力需求的分析，文章提出一种提升陶瓷基微波固放电路电流承载能力的新型复合膜层结构，并对基于该膜层结构制作的薄膜电路进行了线宽精度、表面电阻、膜层附着力等工艺指标和电流承载力的详细测试，相比传统膜层结构，此复合膜层结构可显著增强电路线条的导热能力，提升固放电路的电流承载力和应用可靠性。测试结果表明，使用NiCr-Au-Cu-Ni-Au复合膜层结构，高纯氧化铝基板上电路可在9A电流下稳定工作（表面膜层完整和表面存在明显划伤结果相同），高介电常数基板上0.4mm线条可耐受5A电流，膜厚控制范围10μm~13μm,100μm线宽精度15μm,膜层附着力大于2kg/mm2，Φ25μm金丝的破坏性键合拉力值>3.5g，250μm金带的破坏性键合拉力值>100g，满足了宇航工程的高可靠应用要求。