固液捆绑火箭起飞喷流特性及对发射台影响研究

为了研究固液捆绑火箭起飞阶段多簇高度欠膨胀燃气射流冲击发射台及导流装置的复杂流场图谱，基于连续介质假设，建立固液捆绑火箭发射燃气羽流含Al2O3颗粒混合物流动的欧拉离散相气-固耦合流动模型，包括燃气多组分可压缩N-S方程、Al2O3颗粒流动方程、RNG k-ε湍流模型，并运用二阶Roe迎风差分格式求解控制方程的对流通量，二阶中心差分计算耗散项。在流动计算结果基础上，建立高温燃气射流的热辐射方程，采用离散坐标法(DOM)计算多簇燃气射流热辐射的影响，通过数值模拟得到火箭起飞时高度和漂移量对发射台和箭体底部底部燃气射流流动及热流密度的影响。所得结果可为发射台和箭体底部防热设计提供一定的参考依据。为了验证欧拉离散相模型及其数值方法的有效性，以固体推进剂标准发动机羽流热环境实验为对象，将数值模拟结果与实验数据进行了对比，发现两者的温度和热流密度相对误差分别为2.2%和3.7%，由此可见本文的方法具有良好的数值精度。     

复燃对液体火箭返回阶段底部热环境的影响

为了研究垂直起降液体火箭在返回阶段发动机反向喷流及复燃对箭体着陆支腿和底部热环境的影响,建立了尾焰复燃、流场及光谱辐射计算模型。在国内率先对垂直起降液体火箭在返回阶段的箭体底部热环境进行了数值计算,流场计算采用商业软件,复燃反应使用有限速率化学反应模型;采用HITRAN数据库获得喷流气体组分的光谱吸收系数、正反光线踪迹法求解辐射传递方程。利用文献实验结果,对计算进行了验证并考察了复燃对底部热环境的影响。结果表明:复燃反应对包括箭体底面、侧壁面及着陆支腿的对流和辐射热流密度均会明显升高,最高可达80%以上。因此,研究成果适用于液体火箭返回阶段底部精细化热设计,且在设计过程中有必要考虑复燃的影响。     

固液捆绑火箭上升过程喷流干扰特性及底部热环境研究

固体喷流和液体喷流的来流与喷流之间相互干扰，在喷流交汇碰撞区域使流场温度、压力特性发生变化，对箭体底部的加热效应增强。特别是含有固体颗粒的固体助推器喷流与液体芯级喷流混合，对传热特性产生明显影响。本文用连续相模型模拟气相、离散相模型(DPM)模拟固体粒子相、DO模型模拟含有固体粒子的介质辐射，对固液捆绑火箭在上升飞行过程中的气固两相喷流的演变过程进行仿真研究。仿真结果表明:在不同的发动机组合之间出现高温区域，并随着喷流扩张和飞行高度增加，高温区向箭体底部移动，喷流中小粒径固体颗粒分布在喷流与空气的边界混合层区域，大粒径固体颗粒分布在喷流交互中心区域，底部最大对流热流密度与辐射热流密度为90 kW/m²和400 kW/m²。将仿真实验结果与飞行试验数据进行了对比分析，发现两者吻合较好，验证了仿真结果的准确性。     

二级火箭喷流对底部热环境影响的数值模拟

为研究二级火箭工作时对底部热环境的影响,在不同喷管固壁热辐射和飞行高度条件下,用Fluent软件自发动机喷管喉部处计算喷流流场和底部区域内给定平面的对流热流密度,并建立了三维反向蒙特卡罗（RMC）法模型,同时根据HITRAN数据库计算气体红外辐射特性,获得喷流对给定平面的辐射热流密度,两者相加即为喷流到达研究平面的总热流密度。结果表明：热辐射和热对流在底部产生的热效应趋势不同。     

固体运载火箭底部对流热环境数值模拟

采用数值仿真方法,开展了固体运载火箭底部对流热环境计算研究。采用线性化热力学参数的单一介质简化处理方法,模拟了发动机喷流与高速主流的流场,得到了热流与温度参数,并与飞行试验结果进行了对比分析。结果表明固体运载火箭底部存在较为严酷的对流热环境,本文的数值计算结果与真实飞行试验结果吻合较好,该方法可为固体运载火箭的热环境与防热设计提供参考。     

超燃冲压发动机燃烧室内对流与辐射加热基于OpenFOAM的数值模拟

为了考察对流和辐射传热对燃烧和流场以及壁面热流密度的影响,基于OpenFOAM平台,采用基于k-ω湍流模型的剪切应力输运(SST)模型,结合二维P1模型、随机欧拉解(SEF)法及k-distribution谱带模型计算燃烧室内燃烧、流动、燃气辐射和壁面对流及辐射热流密度。计算分为燃烧/流动与辐射解耦和耦合两种情况,前者的壁面辐射热流与文献解耦计算结果吻合较好,在此基础上考察耦合时热辐射对燃烧和流场参数及壁面热流的影响。结果表明:解耦条件下壁面最大辐射热流密度达55 W/cm~2,辐射与对流热流密度之比达40%以上,但位置与最大辐射热流位置不一定相同,燃气最高温度与不考虑辐射时相比降低120K左右;在耦合计算中,燃气最高温降低近200K,燃气高温区面积增大而平均温度降幅较小。     

固体火箭尾舱热环境研究

对固体火箭尾舱热环境的组成成分进行了分析，利用理论和数值仿真方法，给出固体火箭沿真实飞行轨道条件下的热环境预示结果，并与地面试验及飞行试验测量结果进行对比。结果表明，固体火箭尾舱热环境存在天地差异，在地面发动机试车状态时，尾舱热环境以喷流辐射热流为主；真实飞行状态时，在发动机喷流和高速来流的相互作用下，火箭尾舱还存在量值更大的对流热流。针对固体火箭尾舱对流热环境提出的线性化热学参数单一介质数值模拟方法可用于固体火箭尾舱热环境设计。     

姿控发动机热防护研究

经分析,某运载火箭定向姿控发动机所在环境的主要热源为游机喷管辐射、游机燃气羽流辐射、涡轮废气管辐射等。计算得出各受热危险部位所接受的辐射热流,依据热流值提出了对辐射热流较大的地方采取隔热材料包覆的热防护方案,并对热防护方案进行数值仿真和试验验证,试验值与仿真结果接近。     

固体火箭发动机喷流流场数值仿真

采用The Diagonalized Upwind Navier-Stokes（DUNS）程序对两种火箭发动机的喷管-尾喷焰进行了一体化数值仿真。DUNS程序采用对角化ADI算法对雷诺平均N-S方程进行了求解，求解过程采用三阶精度TVD格式，q-ω两方程湍流模型。首先对文献中典型喷管的喷流流场进行了数值模拟，与文献结果进行了对比，然后针对某型号固体导弹的喷管一尾喷焰在不同飞行高度和不同飞行速度进行了数值模拟，为对该型号导弹的尾喷焰开展红外辐射研究打下了基础。     

发动机喷流干扰对底部热环境影响研究

发动机底部热环境的准确预示是小型运载火箭研制的关键环节。为提升对小型运载器底部热环境的认识,开展了发动机喷流干扰对底部对流加热影响的研究。首先,采用计算流体力学方法,开展了发动机喷流流动的数值计算研究,分析了飞行高度、发动机开关机、飞行攻角对底部对流加热的影响;然后,从流动机理出发,提出了一种降低底部对流加热的外形优化方法;最后,根据飞行试验测量结果,讨论了底部加热的主要来源。     

N2O4／UDMH火球特性的实验与理论研究

本文对液体推进剂四氧化二氮／偏二甲肼（Ｎ２Ｏ４／ＵＤＭＨ）爆炸热过程特性进行了实验与理论研究。研究结果显示出了火球尺寸变化、火球持续时间、火球内部温度、火球辐射热流传递过程等热过程特性参数随推进剂重量、时间和空间位置的变化规律。理论预测结果与实验测量结果相比符合较好，表明理论预测模型的正确性。本文还讨论了火球升离地面的临界条件、高空环境对火球直径的影响和火球随风漂移等三方面的问题。     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

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%。     

低空多喷管发动机喷焰红外特性研究

对多喷管火箭发动机低空尾焰的红外辐射特性进行了研究.基于热流法建立了喷焰红外传输计算模型,数值模拟了四喷管发动机尾流场2～5 μm光谱的红外特性.获得了光谱、波段辐射强度仿真数据及红外仿真热像,并与单喷管喷焰的红外特性进行了比较.考察了不同的喷管间距、探测方向、飞行高度对喷焰表观辐射强度的影响.结果表明,多喷管尾喷焰红外辐射光谱选择性与单喷管相似,但光谱峰值无线性关系;对于低空四喷管发动机尾喷焰,红外特性随喷管间距增加有所增强,随飞行高度增加,喷焰红外辐射强度提高.     

运载火箭推进剂复杂流动传热问题数值模拟中的模型简化方法

在运载火箭改进优化或新型运载火箭设计过程中,会遇到各种复杂的流动与传热问题。按照真实产品和物理过程直接建立的数值计算模型过于复杂,不同尺度的结构、流动与传热、长时间的飞行过程相互耦合,出现计算时间太长(数年)、收敛困难、程序调试困难等问题。针对初始条件复杂、飞行过程复杂、边界条件复杂3类具体问题,总结了3种相应的模型简化方法,分别是工程经验法、极限参数法、低维近似法,为推进剂复杂流动与传热的数值模拟提供参考。     

具有复杂围护结构光学窗口的传热特性分析

针对具有复杂围护结构光学窗口传热特性,建立了高热流作用下的光学窗口及其复杂围护结构的辐射-导热传热模型,分别讨论了窗口的辐射半透明、光谱选择性、外部加热热流以及窗口尺寸对其瞬态温度响应的影响。结果表明,忽略窗口半透明特征会产生最大31.4%误差,忽略光谱选择性会产生最大40.4%误差;窗口外部气动加热热流影响显著,温度响应随热流的增大而急剧增大;窗口厚度对其传热特性的影响较大,随着厚度的增大窗口温度响应减小;而窗口半径产生的影响可忽略不计。     

亚轨道再入返回段高度上边界技术研究

针对重复使用运载器(RLV)亚轨道再入返回过程中动压、过载等约束条件对飞行安全的不利影响,通过分析质点动力学方程,提出亚轨道再入返回段RLV存在高度上边界并给出两种求解高度上边界的计算方法。高度上边界反映了亚轨道再入返回段的制导能力,它对总体决策和控制系统具有重要意义,RLV上升段的最终高度也必须限制在这个高度之下。分析和仿真结果表明,求解高度上边界的两种方法具有一定的鲁棒性和工程实用性。〖JP〗
     

局部多孔壁－内腔结构的气动加热瞬态特性

根据超声速飞行器外表面连接结构处密封结构几何特征,以局部多孔壁和内腔结构为研究对象,建立流/固/多孔区域流动和传热过程耦合计算模型,其中多孔区域中运用分布阻力法,流、固区域间换热过程采用准稳态耦合计算方法。经过与相关实验数据进行对比,验证了程序可靠性,并进一步分析在整个长时间瞬态过程中,该密封结构的流动和传热特征,阐明了在瞬态过程中多孔材料等效热流对缝隙壁面的加热作用。研究了有、无多孔材料填充两种情况下缝隙壁面热流分布形态的差异,探讨了缝隙中填充多孔材料对高速流场边界层热气流侵入内腔过程的影响。