固体微推力器气粒两相羽流场的数值模拟

采用DSMC/EPSM混合算法,结合稀薄流中气粒耦合作用模型,开展了固体微推力器羽流场中气粒两相稀薄流动的数值研究,研究了羽流场中气粒两相参数的分布规律和气相组分分离效应.结果表明,气相与颗粒相间的动量传递导致颗粒相的轴向速度显著增加,两相间的能量传递导致颗粒相的温度降低,气相对颗粒相作用显著;由于燃气中颗粒相含量较少...     

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。     

空间重力环境对稠密气固两相流动特性影响的数值模拟

文章基于稠密气体分子运动论和颗粒动理学,建立气固流化反应器的稠密气固两相流动的欧拉-欧拉双流体数学模型,考虑了颗粒与颗粒之间离散介质特性,大涡模拟求解气相湍流流动,数值模拟反应器内稠密气固两相流体流动行为,得到了不同重力条件下的颗粒浓度、气相和颗粒相速度等计算结果。结果表明：空间重力环境是影响稠密气固两相流体动力特性的重要因素,颗粒脉动强度将随着重力条件的减小而增大。     

宽粒径范围颗粒对气相膨胀的影响

利用双流体模型对固体火箭发动机喷管内气固两相流进行计算,研究了两相流中颗粒相与气相的相互作用,分析了颗粒粒径及颗粒质量分数对两相流中气相在喷管中膨胀的影响。结果表明,颗粒粒径造成两相流损失的大小是颗粒比表面积、气相湍流动能及颗粒在喷管内的滞留时间等因素共同作用的结果,两相流损失随着颗粒粒径的增大先增大、后减小,同时随着颗粒质量分数增大而增大;JPL喷管中粒径为2μm的颗粒造成的两相流损失最大,此粒径下,当颗粒质量分数从10％增大到40％时,两相流损失从10％增大到26％。     

固体火箭发动机燃烧室冷态突扩气固多相流动的数值模拟

基于欧拉-欧拉双流体方法,建立固体火箭发动机燃烧室轴对称突扩气固多相流动的统一二阶矩两相湍流模型,采用k-ε双方程模拟气相湍流流动和颗粒相湍流雷诺应力kpg方程描述大尺度颗粒湍流运动、小尺度颗粒各向异性弥散特性以及气固相间作用。数值模拟了突扩流动中的颗粒轴向、径向平均速度和脉动速度以及颗粒-气相脉动速度关联轴向分量的分布特性,计算结果与试验吻合较好。研究结果表明:颗粒轴向速度脉动大于径向速度脉动,轴向平均速度梯度影响脉动速度峰值的发生位置和大小;两相脉动速度关联轴向分量大约是径向分量的2倍。     

高温固体颗粒气动阻力系数数值计算

在发动机喷管的气粒两相流场中,金属颗粒阻力的准确计算对整个流场的模拟有着重要作用.而高温颗粒与周围气相的传热会改变气相的性质,进而影响颗粒的气动阻力.采用k-ε湍流模型和强化壁面处理方法,计算了雷诺数Re在0～10 000范围内,颗粒与气相不同温差情况下球形单颗粒的气动阻力系数.颗粒温度升高,颗粒所受的气动阻力随之增加,但是增加的幅度随Re的增加而减小;根据计算结果,拟合了以颗粒雷诺数为自变量的高温颗粒气动阻力系数的计算公式.通过与低Re下的实验数据的对比,验证了所拟合公式的适用性和可信性.     

粉末燃料冲压发动机内镁颗粒群着火模型

对粉末燃料冲压发动机中镁颗粒群的着火过程进行了研究,建立了镁颗粒群的非稳态着火模型,数值模拟了镁颗粒群的着火过程。研究表明,颗粒相温度先缓慢升高,表面反应加剧之后,温度才急剧上升,很短时间内着火成功;而着火过程中气相温度整体升高不大,其温度总是低于颗粒相温度且升温很慢,特别是着火阶段后期,气相的升温速率远小于颗粒相的升温速率,分析了各种参数变化对颗粒群着火的影响。随颗粒浓度的增加,颗粒群的着火时间缩短;但当颗粒浓度太大时,颗粒群将不能着火成功。气相中氧气浓度对着火的影响很小,特别是颗粒浓度大的情况,氧气浓度对着火几乎没有影响。辐射源温度和气相初始温度对颗粒群着火的影响很大,两者的温度高,则颗粒群着火时间将大大缩短,但当颗粒浓度很高时,气相初温变化对颗粒群着火时间的影响将不再显著。颗粒粒径对颗粒群着火的影响较复杂,颗粒浓度大时,小颗粒颗粒群易于着火,而颗粒浓度小时,大颗粒颗粒群着火时间更短。     

铝镁推进剂固冲发动机两相燃烧数值模拟

针对铝镁推进剂中心进气固冲发动机,湍流模型采用Reynolds应力方程模型,气相燃烧采用涡耗散模型,两相流采用颗粒随机轨道模型,铝颗粒燃烧采用Brooks燃烧模型,对二次燃烧和流动进行了三维、两相和化学反应流场数值模拟,对比和分析了冲压空气与一次燃气无旋、同向及反向旋转3种工况下补燃室燃烧流动特性及燃烧效率,并对不同工...     

纳米铁基金属燃料发动机喷管两相流特性数值模拟

针对纳米铁基金属燃料发动机技术,建立颗粒燃烧模型与喷管两相流动控制模型,基于VC++软件自主编程,对纳米铁基金属燃料发动机喷管内颗粒相速度、颗粒温度、颗粒粒径、质量传递速率、颗粒速度滞后、温度滞后、流体密度、压强、雷诺数、马赫数、气相速度、气相温度等参数进行模拟仿真,重点研究了0.4～1.0 μm颗粒粒径和10～40凝...     

潜入式摆动喷管两相内流场数值模拟

气相采用三维薄层近似N-S方程，固相采用拉格朗日坐标系下颗粒轨道模型，计算方法采用显式ENO差分格式和分区多块网格技术，建立了固体火箭发动机内流场模拟软件。对轴对称JPL喷管进行模拟，计算结果与文献进行比较，符合较好。推广到实际三维装药型面时，发现颗粒数目增加导致计算效率降低。采用软件中的气相计算模块对潜入式摆动喷管内流场进行数值模拟，比较了喷管摆动角在发动机喉道附近引起流动变化，研究了非对称流动对喷管内表面压强的影响。     

两相跨音速喷管流动

对气相和颗粒控制方程分别应用时间相关法和特征线法,完成了两相跨音速喷管流场的计算。这是一个两相完全耦合的数值解方法。计算表明,该计算方法是成功的。     

固体火箭发动机喷管两相流动计算

采用MacCormark格式与特征线法联合的方法求解了固体火箭发动机喷管两相流场。在跨音速段,气相控制方程用基于MacCormark格式的时间相关法求解,粒子方程采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解;在超音速段,气相控制方程用MacCormark两步显格式空间步进求解,粒子方程仍采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解,两相充分偶合。在控制方程中考虑了三氧化二铝颗粒的相变。最后对JPL喷管进行了计算,并讨论了不同质量分数对流场的影响。     

"长二丙改"上面级CPKM发动机喷管两相粘性流动数值模拟研究

对“长二丙改”火箭上面级CPKM发动机喷管的高空性能进行了预示。气相采用显式MacCormack差分格式、颗粒相采用特征线法,数值求解采用轴对称二维两相粘性流动模型。对CPKM发动机喷管进行数值模拟,所得的发动机平均推力与实测性能数据相比较,相对误差为2．3％。研究表明,所采用的流动模型和数值模拟方法,对高空大面积比喷管性能进行的预示是有效的。     

SRM点火瞬态凝相粒子对火焰传播过程的影响

以Fluent计算软件为工具、时均化N\|S方程、RNG k-ε湍流模型、P1辐射模型、颗粒 轨道模型为基础、美国“大力神4”运载火箭助推发动机PQM -1为算例,采用流固耦合传热的火焰传播边界条件,建立了二维轴对称纯气相流动和气固两 相流动模型,分析了大长径比SRM点火瞬态凝相粒子对火焰传播过程的影响。分析结果表明 ,与纯气相流动模型相比,两相流模型中凝相粒子的辐射、阻尼、拖拽等作用改变了火焰在 装药燃气通道、径向翼槽内的传播过程;两相流动模型可正确预示大长径比SRM的初始发火 点和火焰传播过程。     

基于DSMC方法的高空固发羽流模拟

为研究稀薄状态下固体火箭发动机羽流中颗粒的行为,在稀薄气相流场DSMC程序的基础上,添加了气固两相相互作用模型和颗粒相变模型。气固两相相互作用模型中,颗粒所受的作用由单个颗粒受到周围分子力和热作用公式求出,分子所受的作用由耦合求解气固相互作用方法求出,颗粒相变考虑固化、熔解,以及不发生相变的加热与冷却。用算例研究了流场的特性参数及不同粒径颗粒的温度分布,与文献数据符合良好,准确度在国内同类研究中具有一定的优势。在此基础上,针对实际固发羽流算例进行计算,分析了不同颗粒直径对流场的影响。结果表明:粒径越小颗粒扩散越开,X=0.4 m处粒径1μm颗粒的扩散较粒径100μm从0.03 m增大到0.2m;粒径越小颗粒温度降低越多,X=0.4 m处近轴线位置粒径1μm颗粒的温度较粒径100μm降低了44.4%;粒径越大,对气相流场阻碍作用越明显,X=0.02m处近轴线位置粒径100μm颗粒的速度较纯气相流场降低了54.5%。     

残余限燃环对大型分段式固体火箭发动机凝相沉积的影响

采用Euler-Lagrangian方法描述固体火箭发动机两相流动过程,数值分析了某大型分段式固体火箭发动机地面试车后在后段燃烧室筒段出现大量的Al_2O_3凝相颗粒沉积现象,计算过程中考虑了气相湍流脉动对凝相颗粒的影响,并通过缩比分段式固体火箭发动机地面粒子沉积试验对计算结果进行验证,数值计算与试验结果基本吻合。二者结果表明,由于前后段燃烧室推进剂燃速差异性,导致在大型两分段式固体火箭发动机工作末期,前段燃烧室高温燃气中的大量微小颗粒受到湍流脉动的影响而被后段燃烧室筒段壁面捕获形成凝相沉积。同时研究表明,燃烧室分段部位的残余限燃环高度对后段凝相沉积量影响非常明显,通过降低分段部位限燃环残余高度,能够明显降低发动机工作过程中后段燃烧室的凝相沉积量。     

过载状态下固体火箭发动机燃烧室内二相流动数值模拟

对过载状态下固体火箭发动机燃烧室内二相流动进行了数值研究，建立了过载状态下二维平面颗粒轨道模型，应用二阶迎风格式构造了有限体积计算框架，对有过载和无过载多种工况燃烧室内流动进行了计算，得出过载对颗粒相和气相的某些影响，结果对于发动机工作过程研究及发动机热结构设计具有一定指导意义。     

含铝复合推进剂燃烧与流动数值模拟

为了研究含铝复合推进剂在发动机中的燃烧与流动、铝金属在发动机内的多相燃烧问题,对某含铝复合推进剂发动机内流场进行数值模拟。基于FLUENT软件,根据气相燃烧与非均相燃烧理论,应用EDC燃烧模型以及颗粒表面反应模型,建立了含铝复合推进剂燃料的二维两相湍流燃烧模型,验证了颗粒表面反应模型计算铝燃烧的可行性,模拟了不同颗粒相Al2O3含量下发动机内流场的分布,得出了压力、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,颗粒表面反应模型可较好地模拟发动机内铝燃烧的宏观现象,发动机燃气中颗粒相含量对发动机内流场有显著的影响。随着颗粒相含量的增加发动机燃烧室压力降低,温度升高;发动机两相流损失增加,发动机推力降低。     

羽流中固体颗粒在真空环境下分布的数值仿真

通过对气?固两相间动量和能量相互作用解耦处理,建立了一种适于模拟真空环境气固两相混合物羽流的DSMC双向耦合算法与固体颗粒空间输运变化特性的TPMC计算技术。仿真了固体火箭发动机两相羽流流场和固体颗粒在远离发动机喷口数十公里空间扩散运动分布特性,通过将计算结果与典型文献结果及理论分析比较确认,证实本文方法的准确可靠性。结果表明,固体颗粒对气相的扩散有一定的阻滞作用;仅在离发动机喷口一定距离,气相对固体颗粒有较大影响,致颗粒温度下降、速度增加;颗粒温度随发动机喷口距离增大而减小,一直要在远离喷口上百公里颗粒温度才随轴向位置趋于平衡,且不同尺寸的颗粒温度差别较大,对指导外层空间高真空环境气固两相羽流传输影响工程研制具有重要意义。     

三维喷流流场中固体颗粒效应的粒子仿真方法研究

采用粒子仿真跟踪颗粒相运动轨迹，采用高效ENO格式求解NS方程，数值模拟了有攻角条件下含颗粒相的横向喷流与超音速物体绕流形成的干扰流场。结果表明上述方法是研究气－相两相流动的有效途径，颗粒相存在对喷流流场结构及物体所受的气动力和气动热具有一定影响。