喷管分离流动模态转换过程壁压测量试验

为了研究推力最大抛物线(TOP)喷管在不同工作压强下流动分离过程中分离模态间的转换过程,确定其压强分布特点和模态转变发生的临界压强比,对一个TOP喷管进行了多个压比下的冷流试验。通过采集不同位置上的壁面压强,初步确定开机阶段自由激波分离向受限激波分离模态转换发生的喷管压强比(NPR,喷管局部压强与环境压强之比)在17.61~18.49之间,捕捉到了转变过程中的压强不对称现象,并且发现在受限分离激波下游的局部壁面压强高于环境压强。为了获得更多流场细节,用雷诺平均(RANS)方法对实验模型进行了数值模拟,与试验结果最大误差不超过5%,证实了试验中获得的压强分布确实对应了不同的分离模态。     

火箭发动机喷管分离流动仿真分析

采用数值方法研究在分离状态下的最大推力喷管流动状态,讨论了不同湍流模型对分离流动的影响,在此基础上详细分析了喷管流动中出现气流分离模态由自由激波（FSS）到受限激波（RSS）的变化情况。在稳态仿真基础上开展非稳态分析,并综合小波分析、结构有限元方法分析了侧向载荷影响。研究结果表明,喷管内压强脉动为低频脉动,该脉动频率范围与喷管固有频率有交叠,可为后续的喷管气流分离侧向载荷分析及验证试验提供基础。     

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.     

水环境下喷管流动分离数值研究

为了研究水环境下发动机喷管流动分离现象以及影响因素和规律,基于VOF多相流模型和SST k-ω湍流模型,建立了水环境下固体火箭发动机喷流流场数值仿真模型,并进行了不同喷管扩张比和NPR(燃烧室总压与环境压强之比)下的喷流流场数值模拟。通过数值仿真分析获得了水环境下喷管内发生流动分离时推力、压力特征和流场非定常变化特征,水环境下喷管内流动分离具有强烈的非定常振荡特征,分离激波会在分离点与发动机喷管出口之间呈现推进-返回-推进周期性振荡的流动特征。同时,获得了喷管扩张比和NPR对流动分离特征的影响规律,相同水深环境下不同扩张比喷管对流动分离点位置影响较小; NPR越小,流动分离点的位置处喷管扩张比越小。     

火箭垂直回收中发动机布局与喷流壁面效应影响研究

针对重复使用火箭垂直着陆过程的喷流流场问题开展研究,利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD)方法研究了壁面效应和发动机布局对超声速喷流的影响。研究表明,着陆距离（L）在2.24D~11.2D（D为喷管出口的直径）的范围内,地面效应对喷管出口中心处的温度分布影响较小;在当前计算条件下,当L<2.24D时,超声速喷流撞击地面会形成强烈的激波,随着离地高度的降低,该激波位置往喉部方向移动,由于壁面效应,喷管内部形成斜激波,导致中心喷管壁面处的温度升高;中心喷管相对外侧喷管往外突出增大了壁面流动速度,导致外侧喷管出口的温度降低;研究还表明子级火箭底部端面的喷管数量增加后,会导致喷管的温度升高。研究结果将为火箭发射及回收方案选取提供参考。     

快速升压过程喷管侧向载荷流固耦合分析

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的侧向载荷,采用三维数值仿真方法进行分析。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,结合FLUENT中UDF功能,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。计算结果发现,此大膨胀比喷管在快速升压阶段先后经历了自由激波分离和受限激波分离;分析得出了较强的侧向载荷主要由不对称的燃烧波、激波转变和喷管出口部位的激波震动3种状态产生;侧向载荷的大小也与快速升压的时间快慢有较大关系。采用流固耦合计算方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境,为更深入研究大膨胀比喷管侧向载荷提供了支撑。     

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.     

火箭发动机喷管中气流分离预估的现状

在过膨胀火箭发动机喷管中,当壁面气流压力与环境压力之比达到一定值时气体会从喷管壁分离。这种气流分离及其理论预估是过去十年中试验和理论研究的课题,而且为预估气流分离而建立的各种模型和所做的各种假设已经得到很大发展,既有理论模型,也有纯经验模型。本文借助于在 DLR(德国航空航天研究院)所建立的数据库,对不同模型进行了论述,几乎包括了所有公开发表的气流分离数据。本文对一种新的、更加准确的分离准则提出了看法。试验时,在喷管中观察到两种不同的气流分离现象,即自由激波分离和受限激波分离。对这两种现象都进行了详细讨论,并描述了压缩波和膨胀波。对于自由激波,排气羽流中可以产生三种不同的激波结构:有规则的反射激波、马赫盘及帽状激波。这些激波除了存在于过膨胀喷营外,在满流喷管中也存在。对现有火箭发动机喷管,如 SSME 或火神号发动机喷管,所得到的数值结果与试验照片在定性方面是一致的。对不同类型的激波现泉进行了讨论。另外,对至今还未深入了解的受限激波分离现象也给出了解释,分析了它产生的原因和条件。结果是喷管型面的形状极大地影响着气流分离的形式。根据气流分离得到的这些结果,提出了对侧向载荷产生原因的看法。     

双股气流对流体控制矢量喷管的影响

利用有限体积法求解三维雷诺平均N-S方程,对激波诱导矢量控制方案下的二元收敛-扩张喷管全流场进行了数值模拟,同时与试验结果进行了对比,进一步讨论了开孔位置对喷管矢量性能的影响。研究表明,要获得较好的矢量性能,必须减小壁面反射激波的作用,因此应该调整开孔位置使得第一道斜激波延伸至喷管出口附近;严重过度膨胀状态下,较好的双股气流方案下喷管获得的矢量效率要优于单股气流方案;而在设计状态附近,两种方案下获得的矢量效率和推力损失基本相同。     

基于高阶WENO格式的喷管动态特性仿真分析

喷管的动态特性分析是进行高品质控制系统设计、控制参数优化、控制规律验证的基础。为了分析喷管的动态特性,针对轴对称收扩喷管,基于一维变截面非稳态无粘流动控制方程,利用有限体积Roe类型的高精度WENO格式对控制方程进行离散,采用三阶强稳定型龙格库塔方法进行时间方向的积分,利用激波探测函数实时捕获激波位置,建立了喷管的一维动态特性仿真程序。通过与理论解析解的对比验证了仿真程序和激波探测函数的正确性。在欠膨胀状态下,获得了喷管入口总压、总温扰动下,喷管进出口压力和推力的阶跃响应特性,对比分析了各扰动因素对推力响应特性的影响。进一步分析了扩张段存在激波的情况下,在不同的扰动下激波运动和推力等参数的变化规律,能够为推力控制系统分析提供参考。     

壁面散热对超声速喷管性能的影响

采用一维无粘理论对扩张喷管的流动和性能进行了计算,研究了壁面散热量和散热规律对喷管流动、出口气流参数和性能参数的影响。结果表明:壁面散热会导致喷管沿程静压、静温和总温减小、出口马赫数和总压增大,并且随散热量增大,喷管的工作状态可依次经历欠膨胀状态、临界状态和过膨胀状态,但是喷管的推力系数逐渐减小,性能下降;壁面散热规律对喷管性能有很大影响,入口附近散热量较大出口附近散热量较小时,喷管的性能下降最大。从研究结果可以看出,壁面散热可以调节喷管的欠膨胀度,使喷管从欠膨胀状态趋于过膨胀状态,采用侧重于后半部分散热的规律可以取得良好的调节效果。     

固体火箭发动机喷管分离流动数值模拟及试验研究

对地面条件下大面积比喷管出现的分离流动进行了数值计算分析和试验。首先,利用商用CFD软件进行做数值计算,计算了多种工况,分析了燃烧室压强、喷管型面对分离流动的影响;然后,利用某型号固体火箭发动机进行喷管分离流试验,测得了喷管壁面上沿轴向的压强分布数据。试验捕捉到的与流场数值计算中得到的分离点位置相近,验证了流场数值计算的准确性,数值计算和试验为进一步深入研究打下基础。     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

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。     

拉瓦尔型微喷管性能的DSMC模拟

运用DSMC方法,对轴对称拉瓦尔型微喷管流动现象进行了仿真模拟,分析了不同壁面边界条件对喷管流动性能的影响。研究结果表明,不同的壁面反射模型对喷管内的流场结构及推力有较大影响;在同等壁面热条件下,随着动量调节系数的增加,喷管粘性损失增大,喷管的推力和比冲都将下降;对不同光滑度与清洁度的喷管表面,一概采用完全漫反射模型,将低估喷管推力性能。     

斜切反喷管性能分析

固体火箭发动机前端斜切反喷管，其结构简单、作用时间短、气动型面具有尖点，并在超音速区有台阶，喷管内存在一系列激波，并伴有流动分离现象。本文从雷诺平均的非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发，结合采用Ｂｏｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，利用时间相关法及ＭａｃＯｃｏｒｍａｒｋ两步显格式求解，模拟了斜切反喷管流场。计算得到的壁面压强分布与风洞吹风实验测得的压强分布相一致。该方法可应用于斜切反喷管的     

固体火箭发动机喷管分离流动流固耦合数值仿真

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的分离流动,采用数值仿真方法进行分析,并与试验进行对比。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。耦合计算结果发现,此大膨胀比喷管发生气流分离,且分离处斜激波后的气流温度与压力变化较大,采用流固耦合数值方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境。耦合计算结果与试验进行对比得出,耦合计算得到的分离位置能很好地拟合实验测得的气流分离位置,说明了流固耦合数值方法的有效性,为更深入研究大膨胀比喷管分离流动现象提供了支撑。     

固体火箭发动机喷管瞬态流场特性分析

为准确预测某型固体火箭发动机喷管的流场特性,建立了发动机燃烧室-喷管一体化三维流场模型,考虑了上游流场-燃烧室对喷管流场的影响,应用有限体积法,仿真计算出了发动机点火启动过程中喷管内激波的存在及变化趋势,仿真结果与一维等熵函数理论分析结果相一致。结果表明,在发动机点燃初期,喷管内燃气呈现亚音速流动,随着时间推移,在喷管扩张段出现了一道激波,燃气流动出现壅塞,随着燃烧室内燃气压力升高,激波逐渐移出喷管,喷管内呈现超音速顺畅流动。     

液体火箭发动机在高空工作期间喷管及其周围流场研究

研究了液体火箭发动机(简称火箭发动机)在不同高度飞行时喷管内及喷管周围的气流流动参数分布与高度的变化关系.研究结果表明火箭发动机当其工作高度低于设计高度很多时,燃气在喷管内流动时将会产生激波;当工作高度接近设计高度时,燃气在喷管内流动时将产生微弱的斜激波;当工作高度超过设计高度时,燃气在喷管外将会产生"羽流","羽流"的面积随着飞行高度的增加而变大;当飞行高度大于设计高度时,应考虑燃气"羽流"对发动机及所携带载荷的影响,所携带载荷应有热及污染的防护措施;此时喷管应采用变面积比的喷管,即高度补偿喷管,此喷管的面积比随着飞行高度的增加而增大.     

固体发动机喷管延伸锥展开前级间分离的热环境分析

通过FLUENT流场计算软件,采用RNGK k-ε湍流模型,针对带有延伸喷管的多级固体发动机级间热分离的热环境进行了数值分析。研究表明,延伸喷管尾流受到连接筒、前封头、延伸段的阻碍后,其流动特征变化显著,尤其在一级前封头的影响下形成回流,并在喷管内形成激波。计算得到的热环境参数,对发动机的热防护设计具有一定的参考价值。