单层及双层板的超高速碰撞试验(速度超过10km/s)的数值模拟

文章介绍了在Sandia国家实验室所进行的3个精确控制的超高速碰撞试验,使用两种复杂的流体码即多维流体动力学代码CTH和平滑粒子流体动力学代码SPH,对该试验进行数值模拟。该试验用质量为克大小的飞片及球形射弹以大约10km/s的速度撞击薄铝板及钢板(厚度小于1cm)。并分析了碎片云动力学计算预示结果及这些试验中金属板的损坏。     

固体火箭发动机药柱大变形数值分析

本文采用基于Swanson积分型非线性粘弹性本构关系，提出了改进的非线性粘弹性本构模型并推导了一种新的增量型关系式，对Poisson比是否与时间t有关均适用，同时考虑时温等效与推进剂材料的可压缩性；应用T.L.法的虚功方程，推导出了三维热粘弹静力问题的有限元列式。最后，通过编制的有限元程序对算例进行了分析，展示了固体发动机装药的力学特性，表明该方法的正确性和实用性。     

平滑粒子流体动力学(SPH)方法的进展

平滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种无网格Lagrangian计算技术,在处理一些问题时,比以Lagrangian坐标系和Eulerian坐标系为基础的常规网格有独特的优越性,特别适用于处理物质质点的流动性极大的问题,如超高速碰撞问题.文章对SPH的理论和计算方法做了简单的介绍,并对其发展过程和现状做了简单的回顾.     

充液航天器变质量液体大幅晃动的SPH分析方法

本文基于非惯性系下的光滑粒子流体动力学(SPH)方法,在以虚粒子设置缓冲层的开口边界处理方法基础上,提出一种流出流量可控的出口边界处理方法,能够根据当前时刻航天器的姿态信息和充液比,计算该动力学时间步下变质量液体晃动对航天器产生的作用力和作用力矩,使得航天器系统动力学的闭环仿真成为可能。最后,通过与计算流体动力学(CFD)商业软件Flow 3d的计算结果进行对比,用不同工况下的算例验证了该变质量液体晃动动力学分析方法的有效性。     

航天用纳米流体流动与传热特性的实验研究

研究航天用纳米流体流动与传热特性。测量了不同粒子体积份额的航天用纳米流体雷诺数500~4000范围内的管内对流换热系数和摩擦阻力系数,详细讨论了雷诺数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响,分析了航天用纳米流体的强化传热性能。实验结果表明,在液体中添加纳米粒子增大了液体的管内对流换热系数,增加了液体的传热效果,粒子的体积份额是影响纳米流体对流换热系数的因素之一,在相同雷诺数条件下,纳米流体的对流换热系数随粒子体积份额的增加而增大。与原液体工质相比,航天用纳米流体的流动阻力系数稍有增大,纳米流体的流动阻力系数不随纳米粒子的体积份额而变化。与航天用纳米流体对流换热系数的增加相比,纳米流体流动阻力系数增大的程度极小,验证了纳米流体强化传热技术应用于航天器热控系统的可行性。     

空间碎片超高速碰撞数值分析

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对空间碎片超高速碰撞问题作了模拟分析,给出了靶孔直径和碎片云宽度随碰撞速度的变化、累积碎片分布、碎片云无量纲向前总动量随膨胀距离的变化、碎片云前端速度的变化规律以及碎片云速度矢量等。     

高能X射线辐照材料的SPH数值模拟

高能脉冲X射线辐照材料时,能量沉积会使材料表层发生气化,并在材料内部形成高压热击波。目前一般采用差分方法对高压热击波过程进行数值模拟。文章尝试采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对X射线辐照材料进行数值模拟,由于材料表层的气化膨胀所致,膨胀后的粒子体积是原来的几十倍甚至上百倍,产生粒子大变形的粒子穿透现象;分析了产生粒子穿透现象的主要原因是气化边界处密度计算公式不合适所致,为此对密度计算公式进行了改进,并开展了基于改进密度计算公式的两种方法的数值模拟,两种方法的计算结果比较一致。     

涡轮叶片U型冷却通道旋转流动特性模拟

为了研究发动机涡轮叶片U型通道在旋转条件下的流动特性,采用 Fluent 中双精度速度压力耦合求解器的简单算法,湍流模型采用k-ω SST模型,压力动量项和密度项用二阶迎风差分格式数值计算,能量项用快速格式计算,建立了旋转条件下涡轮叶片U型通道内的数值模拟方法,分析对比了静止条件下和旋转条件下U型通道内的流动特性。结果...     

基于SPH方法的凝胶推进剂一次雾化仿真研究

一次雾化中存在传统网格法难以解决的自由表面、大变形等问题,本文将光滑粒子流体动力学(SPH)方法探索性地应用于凝胶推进剂一次雾化仿真研究。模型粒子数保持在105左右,在高剪切速率下,将凝胶推进剂看作高粘度牛顿流体,研究了撞击速度、撞击角度以及凝胶推进剂物性参数对雾化效果的影响,仿真结果与实验结论基本一致。     

吸热型碳氢燃料再生冷却性能评估方法

吸热型碳氢燃料作为吸气式高超声速飞行器的再生冷却剂,冷却剂出口温度可达到750℃以上。碳氢燃料的冷却能力和抗结焦特性指标,是再生冷却剂的关键参数。在工程应用参数范围内,建立了吸热型碳氢燃料再生冷却性能综合评估体系,实现燃料热沉、结焦和流动传热性能的综合评估。燃料热沉采用热平衡法测量。作为参考:燃料温度600℃,热沉约2.0 MJ/kg;燃料温度750℃,热沉约3.5 MJ/kg。结焦采用层流流动阻力法进行定量测量,应用泊肃叶定律计算碳氢燃料结焦前后通道的当量内径,从而得到通道内结焦层的平均厚度。流动换热性能的评估方法是比较相同出口流体温度条件下不同燃料壁面温度沿轴向的分布趋势。以上吸热型碳氢燃料评估方法的建立,为研制吸热型碳氢燃料提供了有效的初步筛选途径。     

凝胶推进剂直圆管流动特性探讨

分析了非牛顿流体的类型,认为在液体火箭发动机中有应用前景的凝胶推进剂类型应是有屈服应力的牛顿流体或者幂律流体,关键在于胶凝剂。研究了直圆管中凝胶推进剂的流动特性,依据剪切速率可以将凝胶推进剂在直圆管中的流动分为三个区域。在第二流动区中,可以用幂律流体推导的流阻方程计算管路流阻;在第三流动区,可以近似用牛顿流体流阻方程计算流阻。     

超声速固体粒子侵蚀的欧拉模型

利用计算流体力学（CFD）技术,引入粒子容积分数的概念,基于欧拉两相流模型,计算超声速飞行器侵蚀表面粒子速度和容积分数分布,模拟侵蚀后的三维表面外形。以超声速计算结果为基础,针对现有拉格朗日法计算侵蚀后退率的局限性,推导出适用于欧拉模型的计算公式。采用本文的数值模拟方法,模拟侵蚀后飞行器的外形,并与实验结果进行对比,验证了本文方法的正确性。计算和分析了不同环境参数对侵蚀量的影响,结果表明,马赫数和粒子容积分数对侵蚀量有较大影响,而粒子容积分数不变的情况下,粒子直径对侵蚀量影响不大。     

凝胶推进剂模拟液直圆管压降计算及误差分析

为了建立凝胶推进剂管路流动模型,分析了凝胶推进剂模拟液在直圆管内的流动特性,并对3种模拟液在第二和第三流动区内管路流阻的计算值与试验值进行了对比分析,结果表明：在第二流动区,用幂律流变方程推导的压降公式计算值与试验值有较好的一致性;在第三流动区,可以近似用牛顿流体压降公式计算管路流阻。此外还分析了压降的误差传播系数,结果表明流变指数和管径的误差传播系数最大。     

光滑粒子流体动力学的一种并行数值计算方案

在三维超高速碰撞数值计算方面,针对三维光滑粒子动力学（SPH）方法计算量大和耗时长的缺点,文章提出了一种简单直接、易于编程实现的SPH并行计算方案,并简述了该方案的基本思想、任务划分、变量存储、信息传递以及主要计算步骤。最后利用自编并行程序计算了两个超高速碰撞实例,结果表明:针对几百万个粒子,在运算速度为每秒5万亿次的“银河”计算机上申请23个核并行计算,每步约需要8 s,加速比约为10,并行效率约为50%,计算时间显著减少。     

用于粒子分离器的砂粒反弹特性实验研究

针对砂粒反弹特性所面临的基础问题及其复杂特点,采用实验与理论分析的方法研究砂粒反弹机理。以砂粒与板面碰撞反弹为起点,自行设计了测量砂粒反弹系数的实验系统,并用高速摄影仪捕捉砂粒的运动轨迹,通过图像处理获得不同粒径的砂粒与不同材料的板面碰撞前后的速度矢量。以实验测量数据为基础,理论分析砂粒运动特性,总结砂粒反弹系数与入射角度之间的关系,建立不同材料的砂粒反弹系数的拟合公式,为进一步提高粒子分离器的分离效率提供研究基础与理论支撑。     

圆柱体弹丸超高速斜撞击薄板的碎片云特征仿真分析

为研究圆柱体弹丸超高速撞击薄板的碎片云特征,基于仿真软件AUTODYN-3D的光滑粒子流体动力学（SPH）方法,模拟圆柱体弹丸不同长径比、不同攻角条件下超高速撞击薄板的过程。设圆柱体弹丸撞击速度为5 km/s,长径比分别为0.5、1.0、2.0、4.0,攻角为15°～75°,数值模拟结果分析表明:圆柱体弹丸超高速斜撞击薄板形成的碎片云中,大部分是小质量碎片;大碎片的质量和动能占比较大,是造成后墙损伤的主要原因。同时,当弹丸长径比为0.5和1.0时,15°攻角下的碎片云侵彻能力最弱;长径比为2.0和4.0时,75°攻角下的碎片云侵彻能力最弱。研究结果可为航天器防护结构设计优化提供参考。