微喷管流场及其推力性能数值模拟

采用连续介质模型和分子运动模型系统地研究了二维微喷管内的流场及推力特性，重点考察了连续介质模型的适用性、微喷管工作条件和几何结构对流场结构和喷管性能的影响。研究结果表明，在努森数不大时，两种方法的结果基本符合。当努森数大于0．045时，连续介质模型与分子运动模型模拟结果差异较大。微喷管的推力和喉部雷诺数与喷管的入口压力、喉部宽度近似成线性变化；微喷管收缩角、扩张角给定时，其扩张段的长度仅影响推进性能，对流场结构影响较小。在喉部尺寸和扩张比一定时，扩张角为22度的微喷管推进性能最佳。     

滑移边界条件对二维微喷管数值模拟结果的影响

采用N-S方程对微型缩放喷管内的流场进行二维数值模拟。引入滑移边界条件，通过比较有、无滑移边界条件的数值结果，发现微喷管内Kn小于0．0054时，不同壁面边界条件对流场和微喷管性能参数都没有太大影响；当Kn在0．0054～0．025时，滑移边界条件对流场的模拟已经有较大的影响，但是对预测微喷管的性能影响并不大，在3％以内；当Kn在0．025-0．045时，滑移边界条件不仅对流场的影响已经较明显，而且对微喷管性能预测也．影响较大。     

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。     

结构参数设计对微喷管性能的影响

微喷管设计加工方法不同于常规尺寸喷管,具有小尺寸、大面积-体积比的特点,内部流动雷诺数低,粘性力影响显著。为研究结构参数设计对蒸发液体微推力器喷管性能的影响,利用三维数值模拟方法研究不同扩张半角、面积比以及刻蚀深度对微喷管推力、比冲的影响。结果显示,增加微喷管扩张半角有利于降低粘性损失,最优扩张半角为30°,其数值大于常规尺寸喷管。增加面积比可以提高气体膨胀程度,但与之同时增加的壁面面积会增加粘性损失,推力、比冲先随面积比增加而增加,面积比为14时达到峰值,随后下降。增加刻蚀深度有利于减小扩张段壁面面积,提高微喷管性能。     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N_S方程的数值求解方法 ,对返回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟 ,其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法 ;N_S方程数值求解采用二阶Harten_Yee格式的差分法。得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较 ,得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段     

气体辐射与流场耦合对火星进入热环境影响

采用火星大气物理化学模型,求解带辐射源项的三维热化学非平衡N S方程,对探路者号火星探测器进入过程中的高温流场和热环境进行了数值模拟,分析了气体辐射与非平衡流场耦合效应对流场和热流的影响。结果表明：1)探路者号火星探测器流场热化学非平衡效应显著,CO 2 气体发生大规模离解,高度低至 28.5 km 仍存在热力学非平衡效应;2)热力学与化学非平衡效应的影响均与表面催化特性相关,完全催化热流要高于完全非催化热流50%以上;3)高温流场中的CO组分会产生较强的气体辐射加热,辐射热流与对流热流的比值为15%～45%,靠近肩部区域比值最大;4)气体辐射对非平衡流场的冷却效应使激波脱体距离减小;与非耦合方法相比,采用耦合方法得到的辐射热流降低约12%～25%。     

进入火星大气的高温真实气体效应与气动加热研究

针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性，采用理论分析和数值模拟两种手段，研究探测器进入过程高超声速流动的分子振动激发、离解反应及热力学和化学非平衡等真实气体效应，获得不同气体模型条件下的高超声速气动加热规律，探究引起地火差异的根本原因。分析认为，探测器进入火星大气层的稀薄气体效应明显；激波层内发生CO 2气体为主的大规模离解，在极高温环境下O 2和CO也将离解；沿进入轨道的高超声速流动基本处于化学非平衡但热力学平衡状态；激波层内能量储存和分配模式因分子振动激发和化学反应而改变，分子振动激发会增强气动加热量，但均介于化学反应模型的完全非催化和完全催化壁结果之间；相同来流条件下CO 2介质高超声速气动加热强于空气介质，但真实的火星进入热载荷因大气稀薄而弱于地球再入环境。相关研究为我国未来火星探测器热防护系统设计提供技术支持。     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N－S方程的数值求解方法，对回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟，其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法；N－S方程数值求解采用二阶Harten-Yee格式的差分法，得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较，得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

收敛-扩张喷管中运用次流推力矢量控制技术的计算研究

采用二阶1TVD格式的有限体积法耦合RNGκ-ε湍流模型和非平衡壁面函数求解二维守恒型雷诺平均N-S方程,数值模拟了运用次流椎力矢量控制技术的二维收敛-扩张喷管中的流动现象。计算结果表明,随着喷管压比的增加,次流喷射所产生的激波向扩张段下游移动,且喷管矢量角不断减小到一固定值;次流压比的增加将导致激波向扩张段上游移动,且喷管矢量角不断增加;次流压比对激波和矢量角的影响比喷管压比更强。