超燃冲压发动机燃烧室流动问题的数值验证

基于三维可压缩RANS方程,结合有限速率化学反应模型,发展了一套模拟多组元化 学 反应与湍流流动的计算程序。通过对超燃冲压发动机燃烧室内的几种典型流动问题,如横 向喷流问题、后向台阶流动问题和氢／空气化学反应问题进行数值模拟,验证计算程序的可 靠性,将数值模拟结果与实验结果进行了对比,结果吻合较好。     

Menter转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证

通过压力梯度参数和湍流普朗特数的修正,对Menter等构造的低速经验关系式转捩模型进行了改进,将基于局部信息的Menter转捩模型用于高超声速流动转捩数值模拟。在多个高超声速尖锥转捩流动模拟中,对改进后模型的可靠性进行了检验,算例考核了不同壁面温度、来流湍流度、流向压力梯度等多种流动条件。结果表明,数值计算和风洞试验的壁面温度、温度恢复因子和热流等符合得较好,修正后模型较好地模拟了转捩起始位置和转捩区长度,在高超声速边界层转捩预测中具有一定潜力。     

某单室双推力复杂翼柱形燃烧室的两相流数值分析

针对某单室双推力翼柱形药柱导弹在研制过程中多次出现烧穿现象,开展了数值模拟研究,考察了发动机两相流动情况.模拟结果表明,缓燃药柱前翼设计不合理,造成流场中存在壁面附着涡团,恶化了热防护条件,造成壳体烧穿.数值模拟得到的涡团位置与尺寸和实验烧穿部位吻合.经试验验证,取消前翼设计后,切向涡消失,发动机不再烧穿.     

基于燃面耦合传热的固液发动机内流场模拟方法

针对固液火箭发动机中的燃烧流动,建立了一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的通用计算模型。应用该模型计算了二维固液实验发动机燃烧室,得到了燃烧室内部的扩散燃烧和燃面退移速率。计算得到的燃面退移速率与实验结果吻合较好,说明该方法对固液火箭发动机内流场计算有较强的通用性,PDF模型可有效模拟混合发动机中的扩散燃烧过程;简化的一维燃面传热耦合方法可应用到多维计算;该模型可用来模拟固液发动机的内弹道和预示退移速率。     

火箭水下发射复杂流场的近似数值模拟

本文对火箭水下直接点发射过程中，喷管内高温燃气的推进和气囊的形成、发展等流动演变过程提出了一类简化的模型，并进行了非定常粘性 可压缩流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的数值模拟。计算结果表明，简化模型的合理性，对水下火箭发射的流动过程分析具有一定的参考价值和一种应用价值。     

测压管内颗粒沉积的数值模拟和试验研究

凝相颗粒在固体发动机测压管内的沉积有可能造成测压管堵塞,影响对导弹的控制, 因此开展测压管内颗粒沉积研究具有重要的意义。本文将凝相颗粒当作具有一定粘性的无相 变颗粒来处理,基于Eulerian\| Lagrangian 方法建立了描述颗粒与壁面相互作用的两相 流 数值模型,对测压管内凝相颗粒的沉积过程进行了数值模拟。计算表明沉积主要发生在离测 压管入口较近的有限长度内,沉积厚度从入口向内逐渐减小。为了验证数值模拟,本文还开 展了测压管内颗粒沉积的模拟实验。实验较好地模拟了真实发动机的内弹道曲线以及沉积现 象,实验测得的沉积量和沉积长度与计算结果较为吻合,验证了计算模型的合理性。本文的 研究结果可以为测压管内沉积的预示以及抑制方法研究提供方法。     

某发动机压力上升段的计算

本文将零维流动模型、简化模型、一维两相非定常流动模型的计算结果和实验结果进行了比较。结果表明;零维模型可用于定性预测压力上升过程,其结果与实验值趋势一致;一维两相非定常流动模型的计算结果与实验值相吻合;简化模型不能反映压力上升过程的真实情况。     

复燃现象对导流器排导流场影响数值分析

为探究导弹发射过程中复燃现象对导流器排导流场的影响,将模拟发射过程中燃气化学反应的方法应用于实际的流场分析,以计算流体力学方法为主要的研究手段,对发射过程燃气流场进行了深入研究。分别使用标准k-ε湍流模型与Realizablek-ε湍流模型对经典的燃气流平板冲击问题进行仿真计算,通过与实验数据比较,证明在圆孔射流冲击平板问题中Realizablek-ε模型的计算结果更加符合实际流动的物理特性;并基于有导流器的发射试验平台三维流场模型,得到了对称面及导流器周围流场的温度、压强及不同组分的分布情况,对比了化学反应射流与化学冻结射流之间的差别。结果表明,复燃现象主要发生在燃气射流与空气的混合层及射流冲击壁面处,化学反应射流流场中复燃区域的温度高于化学冻结流流场对应区域的温度。     

喷管分离流流动-热-结构顺序耦合数值模拟及试验研究

针对大膨胀比喷管气流分离状态下喷管所受的复杂载荷,采用数值方法分析喷管结构.利用有限体积二阶迎风插值格式及SST涡耗散湍流模型,结合二层增强型壁面函数,求解N-S方程、热传导方程.采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交互数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析.应用有限元方法对给定的温度场及压力载荷作用下的结构进行了瞬态静力分析,实现了流动-热-结构的顺序耦合.采用此计算模型对轴对称拉瓦尔喷管进行了数值模拟,发现在大膨胀比下喷管发生气流分离,经分离处的斜激波后气流温度梯度及压力梯度变化较大,导致该区域应力较大.为验证模型的准确性,开展了试验研究,测得的气流分离位置和计算得到的分离位置很好的符合,说明了计算方法的有效性.     

铝冰发动机内流场的数值计算

为了使用数值模拟的方法计算铝冰发动机的性能,用颗粒表面反应模型和气相反应模型模拟铝颗粒在铝冰发动机燃烧室中与水蒸气的燃烧过程,用欧拉-拉格朗日方法计算颗粒沿轨迹的参数,分析了数值模拟的结果,并进行了相同尺寸的铝冰发动机实验,把数值模拟结果与实验结果进行了比较。数值计算得到的燃烧室稳态工作压强约为9.38 MPa,与实验结果接近,燃烧室平均温度为2950.65 K,相比热力计算得到的推进剂燃烧温度略低。通过对铝冰发动机的内流场数值计算,得到了与实验相符合的结果,验证了数值计算模型的有效性。     

某发动机整机模态分析

为了获得某型号发动机的动态特性,采用有限元方法进行了发动机整机的模态分析。按照由组件到整机的思想,分别建立了各个组件的有限元模型。重点对推力室和喷管的建模方法进行了分析。将推力室按等效刚度法等效为单层壳,喷管按结构特性等效为正交各向异性壳,并将喷管计算结果同模态试验结果进行对比,验证了喷管建模方法的准确性。各组件模型组装为整机有限元模型,计算得到了整机的模态分布。数值计算结果同模态试验结果吻合较好。     

超燃冲压发动机全流道反应流场仿真分析

采用计算流体力学方法开展了超燃冲压发动机流场二维及三维数值仿真,获得了发动机流场结构及流动细节.探讨了二维简化计算的适用性及不足.通过对发动机各部件受力的分析,得到了发动机初步性能,并就支板及凹腔的减阻设计提供了一些参考.     

自击式喷注器喷注孔测量方法研究

发动机喷注器喷注孔撞击精度等几何参数是试车和飞行振动的重要影响因素之一.因此,对加工、装配铆接和钎焊后喷注孔的相关尺寸参数进行准确测量、分析和评价,提高喷注器产品的质量可靠性是亟需解决的问题.通过设计喷注孔自动测量方案,组建测量系统,设计专用定位工装和开发数控测量程序,形成了自击式喷注器喷注孔测量方法,并对测量数据进行了统计分析.结果表明：测量方法可靠,检测效率提高了92％左右.     

应用动网格技术计算着陆过程中缓冲发动机喷流流场

利用Fluent软件对着陆过程中缓冲发动机的喷流流场进行数值计算,发动机与地面相对位置的不断变化使计算域形状不断改变.为了保证计算的正确性,必须采用动网格技术.介绍了实现移动网格的基本方法,并结合使用网格弹性平滑移动和网格重构方法实现了着陆过程中缓冲发动机喷流流场的非定常数值计算;得到了随发动机着陆产生的喷流流场的压强...     

中低高度卫星轨道调整策略的研究

提出了对中低高度卫星进行轨道调整的简化动力学模型。算例表明：可以通过选择发动机点火点的位置，满足卫星在可测控弧段进行轨道调整的要求。     

N2O/C3H8发动机气液同轴离心式喷嘴喷雾性能数值模拟研究

采用数值计算方法对氧化亚氮/丙烷（N2O/C3H8）发动机样机气液同轴离心式喷嘴的喷雾性能进行了研究,得到了环缝外喷嘴气相喷注压降和内喷嘴缩进深度对离心式喷嘴喷雾流场的影响.分析结果表明,较低的气相喷注压降（＜0.3 MPa）会显著的影响液滴在流场中的蒸发速率以及流场流强、混合比、索太尔平均直径（SMD）和n值的分布;气相喷注压降从0.3 MPa增加至0.6 MPa,稳定喷雾流场液滴SMD和n值分别在2.41～1.68,2.03～0.98范围内变化并逐渐减小.内喷嘴缩进深度从0 mm增加至6 mm,稳定喷雾流场液滴的SMD和n值受其影响较小,均分别在1.70～0.94,2.36～0.99范围内波动.喷嘴的最佳燃烧区主要分布在下游轴向位置0.015～0.035m范围内并随着气相喷注压降的升高和内喷嘴缩进深度的增大逐渐靠近喷嘴出口.该设计喷嘴在发动机热试实验中表现出很好的性能.     

发动机起动燃气返腔仿真与影响分析

针对某液体火箭发动机在试车起动时出现的燃气发生器头部温度过高现象,建立了发动机起动时发生器及燃气系统内部流动的三维模型,通过Fluent流场计算对起动燃气路内流场进行了模拟和分析。从启动器起动0.65s定常流场计算结果与0～0.65s的瞬变流场计算结果中可以看出,火药启动器燃烧后的起动燃气沿倾斜的燃气入口进入燃气路,经内壁反射后冲入燃气发生器,燃气进入发生器头腔,造成了发生器头部温度过高。调节氧头腔氦吹除流量,进行起动的0.65s定常数值模拟。模拟结果表明,适当增大吹除流量是控制起动时发生器头部温度的一个行之有效的手段。再将燃气多通的燃气入口倾角改进为80°倾角和90°倾角,分别建立模型并进行了起动的0.65s定常数值模拟。模拟结果与原模型进行比较时发现,燃气入口倾角增大可以在一定程度上改变起动燃气路径,减少燃气返腔造成的头腔温度峰值过高的影响。     

四机并联发动机低频动态特性分析

为了获得发动机结构的低频动态特性,采用有限元方法进行了液体火箭一级四机并联发动机(含机架)的计算模态分析。由于发动机为复杂的非对称结构,建模时按质量和刚度等效原则将推力室的夹层结构简化成单层板,其余结构大都按空间梁简化,通过改变材料密度保证了模型质量与发动机稳态工作时的质量一致。简化后的计算规模适中,既反映了结构的主要特征又不浪费计算机资源和时间。计算结果表明了四机并联发动机系统中有多阶轴向运动较大的模态值得注意,需避免它们和发动机的低频脉动及箭体的低频振动耦合。     

双工位自锁电磁铁的设计与仿真

根据某型发动机系统要求,亟需研制一种具有双工位自锁功能的电磁阀以确保发动机断电时仍能正常工作。核心组件电磁铁作为自锁电磁阀最重要的部件,直接影响整个阀门的可靠性。以往型号发动机中双工位自锁电磁铁应用较少,在设计计算与仿真研究方面稍显不足,工程指导性有待加强。阐述了一种双工位自锁电磁铁工作原理,介绍了磁路设计与计算方法,使用有限元软件对电磁铁进行仿真计算,相关测试验证了设计的准确性。通过对电磁铁性能特性进行仿真研究,得到了外部参数对其影响规律。即衔铁工作气隙增大将导致吸力减小,驱动电压增大可使电磁铁动作响应时间减少、触发电流和电流储备系数增加,作动裕度有所提高。由此得到了一种具有工程指导意义的双工位自锁电磁铁设计方法。当前该方案电磁铁已用于某型液体火箭发动机中,并通过多次地面热试车考核。