固体火箭发动机熔渣沉积数值模拟

为了探求熔渣沉积的机理，采用欧拉－拉格朗日丽相方法模拟带潜入喷管的固体火箭发动机两相内流场。通过对发动机工作后期六个时刻的两相流动与粒子轨迹计算，得到了三种Al2O3重附着率（0.2,0.4,0.6）下的潜入喷管背壁熔渣沉积总量分别为0.14%，0.48%和0.91%。提出了减少熔渣沉积的一些途径。     

潜入喷管背壁流场模拟显示

为了研究固体火箭发动机潜入喷管背壁流场的特点,设计了一种冷模拟实验装置.利用引入外加烟雾以及片光照明的显示技术进行背壁区域的流动显示,并用照相机和摄象机记录显示结果.结果表明:在雷诺数较高、潜入度较大和喷管潜入部分型面为凹弧面条件下,背壁区域容易形成旋涡;同时,针对实验条件进行内流场的数值计算,实验和计算结果相比较,二者在定性上具有良好的一致性.     

潜入喷管北壁区流场影响因素实验研究

应用相位多普勒粒子分析仪（ＰＤＰＡ）对含潜入喷管、通道为矩形的固体火箭发动机准冷流模型内流场进行测量,研究了雷诺数和背壁空腔形状对背壁区流场的影响。结果表明,随着雷诺数增大气流分离点向下游移动,回流速度增大,椭圆形后封头、直线形喷管背壁构成的背壁区回流速度比圆形后封状、台阶形喷管背壁大。对于潜入深度大的喷管,气流在燃烧室壁面分离,背壁区形成强旋涡;而潜入深度小的喷管,分离点会后移至后封头上,在背壁     

潜入喷管背壁区流场影响因素实验研究

应用相位多普勒粒子分析仪 (PDPA)对含潜入喷管、通道为矩形的固体火箭发动机冷流模型内流场进行测量 ,研究了雷诺数和背壁空腔形状对背壁区流场的影响。结果表明 ,随着雷诺数增大气流分离点向下游移动 ,回流速度增大 ,椭圆形后封头、直线形喷管背壁构成的背壁区回流速度比圆形后封头、台阶形喷管背壁大。对于潜入深度大的喷管 ,气流在燃烧室壁面分离 ,背壁区形成强旋涡 ;而潜入深度小的喷管 ,分离点会后移至后封头上 ,在背壁区后部形成弱旋涡。     

潜入喷管背壁区熔渣沉积的机理分析与数值模拟

为了探求固体火箭发动机潜入喷管背壁区中熔渣沉积的机理和预估方法,采用欧拉-拉格朗日法模拟两相内流场,采用随机轨道模型跟踪离散相轨迹,确定了燃烧室中粒子的直径分布和两种熔渣捕获判据,分析了不同壁面恢复系数对熔渣沉积计算的影响,计算得到的熔渣最小占Al2O3总生成量的0.201%,最大占到0.287%.与实验数据对比证明该预估方法是准确可靠的.     

喷管潜入段二维两相冷流实验

建立了喷管潜入段二维两相冷流实验设备,进行了相应的实验。实验清晰地显示了在潜入喷管进口背壁凹区旋涡的产生、稳定、消失,以及粒子的冲刷、粘贴、脱落、沉积等反复作用的复杂现象,它们与流动的雷诺数、粒子的含量和尺寸、潜入喷管进口处的形状和潜入深度、背壁型面等因素有关。     

二维缩比发动机实验器中旋涡运动的实验研究

针对固体火箭发动机的二维缩比实验器,搭建了高速摄影平台,利用示踪粒子的散射作用,采用连续片光流动显示技术,对流场中的旋涡运动进行了实验研究。实验结果表明：后向台阶处存在明显的流动分离,产生了旋涡。旋涡有规律地脱落,并在随主流向下游传播的过程中尺度逐渐变大;大多数脱落的旋涡撞击潜入式喷管潜入段发生破碎,其中一部分直接流出喷管,而另一部分进入潜入式喷管背区空腔内;少数脱落的旋涡由于大尺度旋涡运动的卷吸作用直接进入潜入式喷管背区空腔,而没有与潜入式喷管潜入段发生碰撞,研究结果可以提高对真实固体火箭发动机中流场的认识,并为数值计算方法提供实验验证。     

潜入式喷管对固体火箭发动机工作稳定性影响

为了揭示潜入式喷管对固体火箭发动机工作稳定性的影响,基于VKI(Von Karman Institute for Fluid Dynamics)模型发动机,利用大涡模拟数值方法与脉冲衰减法,计算分析了潜入式喷管对涡声耦合特性及喷管阻尼的影响。结果表明:在存在障碍物旋涡脱落的条件下,潜入式空腔能够加剧涡声耦合强度,继而诱发明显的压力振荡,含有潜入式空腔模型内的压力振幅是不含潜入式空腔模型下的4倍左右;潜入式喷管削弱了发动机的阻尼特性,无潜入式空腔的喷管阻尼比含潜入式空腔的喷管阻尼提高了8.6%左右,而且喷管阻尼随着潜入式空腔体积的增大基本呈线性减小趋势。潜入式喷管一般而言不利于发动机工作稳定性。     

含潜入喷管发动机尾部流场冷流模拟

为了揭示含潜入喷管的固体火箭发动机尾部流动特征,按照几何相近和气动相似原则设计了通道为矩形的二维冷流实验模型,利用相位多普勒粒子分析仪（ＰＤＰＡ）对燃烧室尾部气流的时均速度和湍流脉动速度进行了测量。实验结果表明气流在潜入喷管入口上发生分离,再附点位于喷管前端部外侧,背部空腔内形成一个较为稳定的回流区,流场的轴向和横向湍流强度都比较大。     

SRM两相内流场模型计算

火箭发动机内流场中的大量液态颗粒与喷管的壁面发生碰撞后会产生沉积和破碎,从而影响发动机的性能。针对此问题,采用颗粒与壁面碰撞破碎沉积模型和欧拉-拉格朗日两相流模型对某固体火箭发动机中不同尺寸的颗粒与喷管背壁区和收敛段碰撞破碎和沉积的基本情况进行了数值模拟,并与相关试验结果进行了对比。计算得到了流场中不同直径颗粒在考虑碰撞破碎后的分布情况和在壁面的沉积情况。计算结果说明,颗粒与壁面碰撞破碎后会大大增加流场尤其是喷管段中小颗粒的数目,颗粒的沉积主要集中在背壁区的下部,而大颗粒主要沉积在喷管收敛段。     

跨音速风洞实验段中气流的加速问题

 在跨音速实验段的加速段的设计中存在这样的矛盾,即若要流场均匀则加速段长;若希望加速段短,则会加速过快而出现过膨胀现象。目前,实验研究不能给出可供设计用的一般规律。通过分析,本文试图找出其规律。1.加速段开闭比的分布规律 喷管的扩张段和跨音速实验段的加速段均可将音速气流加速到超音速,两种加速方法从结构上看不同,但膨胀加速的机理是相同的。     

Thermal-structural response and low-cycle fatigue damage of channel wall nozzle

To investigate the thermo-mechanical response of channel wall nozzle under cyclic working loads,the fnite volume fluid-thermal coupling calculation method and the fnite element thermal-structural coupling analysis technique are applied.In combination with the material lowcycle fatigue behavior,the modifed continuous damage model on the basics of local strain approach is adopted to analyze the fatigue damage distribution and accumulation with increasing nozzle work cycles.Simulation results have shown that the variation of the non-uniform temperature distribution of channel wall nozzle during cyclic work plays a signifcant role in the thermal-structural response by altering the material properties;the thermal-mechanical loads interaction results in serious deformation mainly in the front region of slotted liner.In particular,the maximal cyclic strains appear in the intersecting regions of liner gas side wall and symmetric planes of channel and rib,where the fatigue failure takes place initially;with the increase in nozzle work cycles,the residual plastic strain accumulates linearly,and the strain amplitude and increment in each work cycle are separately equal,but the fatigue damage grows up nonlinearly.As a result,a simplifed nonlinear damage accumulation approach has been suggested to estimate the fatigue service life of channel wall nozzle.The predicted node life is obviously conservative to the Miner＇s life.In addition,several workable methods have also been proposed to improve the channel wall nozzle durability.     

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明：S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,它们通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,它位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超音速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。矩形截面与弯曲构型是影响S弯喷管流固耦合特性的主要几何特征,其中矩形截面能够显著增大喷管的变形位移;S形弯曲构型虽然能够有效抑制变形特征,但它导致喷管多个区域出现变形,喷管的结构变形分布变得更加复杂。     

Numerical simulation of axial liquid film cooling in rocket combustor

Numerical simulation has been done for liquid film cooling in liquid rocket combustor.Multiple species of axial Navier-Stokes equations have been solved for liquid-film/hot-gas flow field,and k-ε equations have been used for compressible turbulent flow.The results of the model agree well with the results of software FLUENT.The results show that:(1) Liquid film can decrease the wall heat flux and temperature effectively,and the cold border area formed by the film covers the whole combustor and nozzle wall.(2) The turbulent viscosity is higher than the physical viscosity, and its biggest value is in the border area of the convergent area in nozzle.The effect of turbulent flow on the whole simulation field can not be ignored.(3) The mass fraction of kerosene at the film inlet is 1,but it decreases along the nozzle wall and achieves its lowest value at the outlet.However,the mass fraction of kerosene near the wall is the biggest at any axial location.      

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

Experimental Investigation of Nozzle Effects on Thrust and Inlet Pressure of an Air-breathing Pulse Detonation Engine

Nozzle effects on thrust and inlet pressure of a multi-cycle air-breathing pulse detonation engine (APDE) are investigated experimentally. An APDE with 68 mm in diameter and 2 050 mm in length is operated using gasoline/air mixture. Straight nozzle, converging nozzle, converging-diverging nozzle and diverging nozzle are tested. The results show that thrust augmentation of converging-diverging nozzle, diverging nozzle or straight nozzle is better than that of converging nozzle on the whole. Thrust augmentation of straight nozzle is worse than those of converging-diverging nozzle and diverging nozzle. Thrust augmentations of diverging nozzle with larger expansion ratio and converging-diverging nozzle with larger throat area range from 20% to 40% on tested frequencies and are better than those of congeneric other nozzles respectively. Nozzle effects on inlet pressure are also researched. At each frequency it is indicated that filling pressures and average peak pressures of inlet with diverging nozzle and converging-diverging nozzle with large throat cross section area are higher than those with straight nozzle and converging nozzle. Pressures near thrust wall increase in an increase order from without nozzle, with diverging nozzle, straight nozzle and converging-diverging nozzle to converging nozzle.     

跨音速喷管流动的数值模拟

数值方法采用的差分格式是具有高分辨率和快速稳定收敛性质的全变差衰减(TVD)格式。喷管壁面形状和反压可任意给定,对于典型轴对称与二维喷管(即壁面由收缩角为45°,扩张角为15°的两条直线用圆弧光滑连接而成。圆弧的无量纲半径等于0.625,其参考长度为喉道半宽),进行了有激波与无激波流动的数值模拟。计算结果与实验结果以及其他计算结果符合良好,此法可推广到非定常跨音速喷管流动的计算,并可用于工程中喷管设计。