水雾对火箭射流压力脉动抑制效果的数值研究

为研究水雾对火箭射流压力脉动的抑制效果,以火箭在地下有限空间内发射为研究对象,采用平面波跨介质传播理论分析了水雾对压力脉动的抑制机理和效果。采用计算流体力学方法,考虑水滴破碎和蒸发作用,详细揭示了射流压力脉动与水雾的作用过程,并研究了水雾参数对压力脉动抑制效果的影响规律。数值结果表明,不同水滴直径的水雾对压力脉动有2种不同的抑制机理,当水雾的水滴直径大于0.7mm时,水雾对压力脉动的抑制效率随水滴直径增大而降低;当水滴直径小于0.7mm时,抑制效率受水滴直径变化的影响可以忽略;临界直径的值是压力脉动时间特性的函数。此外,水雾的浓度越高,水雾对射流压力脉动的抑制效果越好;压力脉动抑制效果与水雾层厚度之间呈类似抛物线关系,当水雾层厚度为0.3m时,传递系数不大于0.43,水雾对射流压力脉动有最优的抑制效果。     

结冰风洞试验水滴直径选取方法

结冰风洞是开展飞机结冰研究的主要设备,确定合理的试验水滴大小,是选取结冰风洞试验条件的重要内容。为了研究结冰风洞试验水滴直径的选取原则,针对结冰风洞试验水滴的大小主要取决于试验速度的大小,在推导结冰风洞试验水滴直径选取公式的基础上,用数值方法预测并对比了不同试验速度对水滴大小选取效果及试验结果的影响。采用欧拉法数值计算了不同试验速度及相应试验水滴条件下,试验模型表面的水滴收集率,并与全尺寸物体表面的水滴收集率进行了对比。研究发现:对于小水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值不能取得太低,参考速度升高到一定程度之后,试验速度与参考速度的比值又不能取得太高;对于大水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值也不能取得太低,当参考速度升高到一定程度之后,试验速度和相应试验水滴直径的改变对模型表面的水滴收集率影响较小,试验速度与参考速度的比值在0.3～1.0之间变动,均可以在模型和全尺寸物体上得到一致的水滴收集率。     

过冷大水滴变形与破碎的影响因素

过冷大水滴（SLD）结冰过程中,影响水滴变形与破碎及其导致的效应的因素众多,多种影响因素耦合作用于水滴变形与破碎的规律还未得到清晰认识。采用数值计算的手段,模拟了SLD运动过程中的变形与破碎现象,分别研究了水滴直径、流场速度及绕流物体尺寸变化对水滴破碎与变形及其效应的影响。通过研究,提出了包含SLD的典型流场区域划分方法,得到了不同因素对水滴破碎区域面积、物面的水滴收集特性、破碎子水滴分布特性的影响规律,发现水滴直径、流场速度、翼型前缘半径与变形和破碎影响撞击特性的程度呈正相关关系。在此基础上,提出了一个综合影响参数X,线性回归分析的结果初步说明,X是表征水滴变形与破碎及其效应的合适参数。相关工作可以为SLD结冰的计算、试验以及防/除冰设计提供参考。     

发动机旋转表面水滴撞击特性数值研究

介绍了发动机旋转机械内部过冷水滴轨迹的三维数值计算方法,阐述了旋转坐标系下气流及粒子的运动规律。采用ANSYS-CFX软件及其粒子输运模型,对某发动机风扇转子叶片外围空气及水滴流场进行了数值模拟。利用水滴的速度矢量、撞击区域等参数表征水滴的撞击特性,获得了转速、水滴直径等对风扇叶片表面水滴撞击特性的影响:水滴撞击区域集中在风扇叶片迎风面叶盆侧,且水滴撞击区域随着转速的增加而减小;水滴在叶片表面的撞击范围随着水滴直径的增大而减小。     

水下点火固体火箭发动机两相流流场数值分析

利用FLUENT软件,使用湍流模型和VOF(volume of fluid)模型对水下点火固体火箭发动机的气液两相流场进行数值分析,对点火初期喷管中燃气的流动过程和燃气泡的发展过程进行了仿真,数值模拟了固体火箭发动机尾流场燃气密度、压力和温度的分布规律。研究表明:点火初期,喷管内流场将有一个完整激波建立的过程,除此之后的喷管尾流区域,由于气体受到压力扰动的影响,激波结构被破坏,没有形成连续的膨胀—压缩波;射流过程中燃气泡头部一直保持较大直径,中部燃气通道存在随轴向周期性的膨胀-压缩现象;喷管尾流区,各流动参数出现不同程度的振荡现象:喷管出口燃气密度受外界水的压缩及传质传热的影响,出现峰值后逐渐稳定;喷管出口燃气总压由于受水环境的急剧压缩,在喷管出口附近形成一个高压区;喷管出口燃气温度经三次周期变化后,温度逐渐降至1750K以内。      

复合固体推进剂的点火研究

本文根据实际固体火箭发动机的工作特点,以Summerfield.M的气相点火理论为基础,建立了用炽热含氧流动气体点燃复合固体推进剂的气相点火模型;并从该模型中导出了计算复合推进剂点火延迟时间的解析表达式((28)式);本文还认为:对于大多数复合推进剂(指以过氯酸铵为氧化剂)来说,是气相反应控制点火过程,因为利用炽热气体点火时,燃气的压力和氧化剂浓度是影响点火过程的主要因素。这一结论为如何调整点火器的设计参数,改进火箭发动机的点火性能指出了方向。     

水滴撞击特性的数值计算方法研究

 对水滴撞击特性的数值计算方法进行了研究。在对防冰部件流场进行计算的基础上,通过对水滴所在单元的判断和单元内流场速度的插值求解以及水滴运动轨迹计算边界的判断,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数,为飞机防冰系统的设计奠定了基础;此外,以发动机进气道的水滴撞击特性的计算为算例,研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响。     

捆绑火箭超静定连接结构参数化建模与优化

与普通捆绑火箭相比,采用超静定捆绑连接结构的火箭质量会偏大,且其动特性和连杆所受载荷都会有较大变化。建立火箭有限元梁模型时,利用CBEAM单元和CROD单元之间自由度的不匹配关系模拟连杆端点处的铰接效果。利用PCL语言建立捆绑火箭的参数化模型,并结合遗传算法,以连杆总质量最轻为目标,对火箭超静定连接结构进行了优化设计。优化模型连接结构总质量明显减少,同时火箭动特性不发生明显变化,连杆内力得到一定程度改善,为火箭连接结构设计能够提供一定参考。     

结冰风洞水滴直径标定方法研究

过冷水滴粒径大小是重要的结冰云雾参数,获知结冰风洞中的水滴直径,是得到定量结冰风洞实验结果的基础。对于结冰风洞内水滴直径单一或者分布比较集中的情况,提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段标定水滴直径的方法。该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到撞击极限随水滴直径变化的关系曲线,在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的水滴撞击极限,通过在撞击极限与水滴直径关系曲线上进行插值,进而得到实验水滴直径大小。采用该方法对0.3m×0.2m结冰风洞内的水滴直径进行了标定,分别计算和测量了25m/s和35m/s两种速度条件下的水滴撞击极限,得到的水滴直径值相差不超过1μm,初步说明该方法的合理性。同时,对于结冰风洞内水滴粒径多尺寸分布的情况,还提出了相应的标定其容积平均直径MVD的方法,该方法在计算水滴收集率的基础上,通过测量驻点处的结冰厚度,实现对MVD的测量。采用本文提出的两种方法进行结冰风洞水滴粒径标定,只需要一般的长度测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,克服了常规的水滴直径测量或标定需要专门设备的不足。     

水膜形成对轴流风扇气动影响的数值研究

为了研究水膜对风扇气动特性的影响,综合水滴碰撞壁面的参数,应用水膜方程求得叶片表面水膜方均根厚度。在数值计算中引入砂砾粗糙度模型来模拟水膜引起的叶片表面粗糙度变化。针对不同吞雨量和水滴直径条件开展数值计算。计算结果表明:水膜主要分布在叶片压力面中的前缘和叶根区域,其厚度和沉积面积随着吞雨量的增加而增大,并且水膜的存在会导致风扇压比和温比的降低。例如,当水滴直径为1000μm、吞雨量为5%时,水滴沉积面积为0.0758m2,占叶片压力面总表面积的33.91%。      

微重力条件下水滴撞击高温壁面数值模拟研究

火灾研究一直是航天器工程不可忽略的重要命题。细水雾被看作是载人航天器中有效的替代灭火剂,因此研究微重力条件下细水雾的特性是很有必要的。采用VOF方法对微重力条件下水滴碰撞高温壁面后的动力学进行了研究;分析了液滴碰撞高温壁面后运动形态和温度场的变化情况,水滴对高温壁面的冷却具有很好的效果。研究了水滴初始直径和速度对水滴铺展的影响,在一定范围内减小水滴粒径,冷却壁面的效果会增强;水滴速度大小不同时。水滴冷却壁面的方式不同。微重力条件下水滴有很好的冷却作用,为载人航天器中细水雾的使用提供了参考。     

一维非定常有加质两相跨音流场隐格式方法

本文成功地用隐格式求解无喷管发动机一维非定常有加质两相跨音流场,为无喷管发动机内弹道的工程计算提供了一个通用的方法。而且,这一成果为整个固体火箭发动机领域流场的一体化计算打下了基础。文中给出了两个算例,给出了计算与实验结果对比的情况。      

超临界环境下煤油替代物液滴燃烧特性数值研究

为研究液氧/煤油火箭发动机燃烧室内经喷注形成的煤油液滴的燃烧过程，基于实际气体状态方程、高压热物性修正、高压气液平衡和详细化学反应动力学，建立一维的全瞬态液滴燃烧模型，对超临界环境下两组分煤油替代物液滴的燃烧特性及液滴初始直径的影响进行仿真研究。结果表明，在超临界环境下，相比于煤油液滴纯蒸发过程，煤油液滴燃烧过程的迁移时刻大大提前；煤油液滴着火之后很快进入超临界燃烧阶段，此时液滴燃烧过程可以看成中心附近的燃料高浓度区与外侧氧气高浓度区之间的扩散燃烧过程；煤油液滴的火焰半径先增大，达到最大值之后开始减小，并减小为零，火焰温度在着火之后快速上升至最大值，并基本保持不变，在火焰半径减小为零之后开始降低；随着液滴初始直径的增大，火焰特性以及液滴中心参数变化曲线趋势不变、整体延迟，着火时间、迁移时间和液滴寿命增大。     

振荡环境下推进剂液滴亚临界蒸发响应特性

针对推进剂液滴在惰性气体中的蒸发过程建立了非定常物理模型,并应用全隐差分格式离散模型方程进行数值求解。研究了液滴蒸发过程对环境气体压力振荡的响应特性,可为液体火箭发动机不稳定燃烧分析提供理论基础。      

水雾灭火技术在民用飞机上的应用现状

由于环境保护的需要,寻找适合民用飞机的哈龙替代灭火剂是急需解决的问题,在可选择的多种灭火剂或灭火系统中,水雾灭火系统由于其环保、清洁、高效、稳定且无毒害等优点而成为目前最有希望的哈龙替代灭火剂。首先介绍了水雾灭火系统的灭火机理及其独特优势,以及国际航空火灾防护工作组(IASFPWG)制定的最低性能标准(minimum performance standard,简称 MPS)和测试结果,研究显示水雾灭火系统很好地通过了MPS要求。然后对影响水雾灭火系统性能的因素进行研究分析：提高工作压力和流量系数可有效提高水雾灭火系统灭火能力,通过调节喷雾锥角和雾滴粒径可改善水雾灭火系统灭火性能;添加一定浓度的盐类化合物、表面活性剂也可提高水雾灭火系统的灭火能力,且不同添加剂具有不同的最佳浓度比例。     

冲压发动机伴随蒸发过程的两相流流场计算

为了计算固液混合式火箭冲压发动机补燃室内带有燃料液滴的流场,用块隐式法计算气相流场,用分离流连续介质模型计算颗粒相的流动与蒸发过程,在控制方程组的联合求荽中,采用特定的算法来体现颗粒相的质量守恒律与尺寸的变化。算例表明,迭代过程能够快速收敛,计算结果定性正确。     

复合式收扩套筒空气雾化喷嘴燃烧室点火研究

复合式收扩套筒空气雾化喷嘴中, 副油路是一个单油路离心喷嘴, 主油路采用双旋流空气雾化, 喷嘴是直射式.在点火研究中, 只是单油路离心喷嘴工作.实验用的燃烧室是一个单头部矩形燃烧室, 在燃烧室进口温度为常温, 进口压力为常压, 燃烧室压力降0.9%9.0%的试验条件下研究了复合式空气雾化喷嘴燃烧室的点火性能.在同样条件下, 研究了复合式空气雾化喷嘴的雾化性能并总结了经验关系.分析了影响点火的主要因素, 通过整理雾化数据, 以Lefebvre点火模型为基础, 总结了该类燃烧室点火经验关系.      

热水火箭发动机喷管性能的影响因素

为了更好地了解影响热水火箭发动机喷管性能的因素,分别对不同参数条件下喷管内流场进行数值模拟.重点研究不同初始条件如不同初始压力、初始气体体积分数及过冷度和不同喷管结构如不同扩张比、收敛半角及扩张半角对推力的影响规律,计算结果表明:初始压力越大,推力越大;随着初始气体体积分数增大,推力会有一个先增大后减小的过程;热水火箭发动机内部初始温度越接近于饱和温度,推力越大;随着扩张比的增加,推力会有一个先增大后减小的过程;收敛半角对推力影响不大;扩张半角越大,推力越小.      

煤油／空气吸气式脉冲爆震发动机试验研究

在内径50mm的吸气式无阀脉冲爆震发动机模型机上,以煤油为燃料,空气为氧化剂,成功进行了两相脉冲爆震试验。研究了煤油／空气推进剂的点火、起爆过程与特点,发现燃油粒度对PDE的点火-起爆影响至关重要。粒度较小时无论煤油是否加温均可成功生成爆震;而提高燃油温度有利于煤油的快速点火和加速火焰传播速度,但在燃油粒度较大时没有生成爆震。与汽油／空气推进剂相比,煤油／空气PDE起爆难度较大,且点火-起爆时间显著增加;随着频率增加,两者的点火-起爆时间差值逐渐减小。     

面-面火箭弹增程与突防研究

阐述了面-火箭弹增程及突防设计原理,建立了导弹弹道仿真模型.通过飞行数值仿真比较了常规火箭弹和滑翔增程导弹的弹道特性,验证了面一面火箭弹通过滑翔增程的可行性.重点研究了滑翔增程弹分导式多弹头突防的可行性及分弹头弹道特性,并分析了该突防方案的突防概率,对今后面-面战术导弹研究有着重要的意义.