基于多块对接网格的多侧喷流瞬态干扰特性研究

基于无限插值理论和多块网格技术,生成了带多姿控发动机的拦截弹结构体网格。利用非定常N-S方程数值求解技术,计算了大气层内高超音速拦截弹带多个横向喷流的瞬态干扰流场,为拦截弹瞬态多侧向喷流的精确控制力建模提供了理论参考依据。研究结果表明,与单喷瞬态干扰相比,瞬态多侧向喷流干扰延迟效应更明显;多侧喷瞬态喷流尾流对尾翼存在更强干扰现象。     

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。     

过渡区侧向喷流干扰的并行DSMC数值模拟研究

在高空低密度环境,空间飞行器的控制面效率下降较快,反作用控制系统(RCS)作为改变飞行姿态或轨道的直接力系得到大量应用,为了精确预测高空RCS喷流与稀薄大气的干扰效应,本文建立了直角与表面非结构网格混合结构的DSMC数值算法以及网格自适应算法,保证了碰撞分子是在自适应后的亚网格内选取,提高了计算精度.采用静态随机负载平衡技术构建了并行DSMC代码,计算分析了不同压比条件下的三维平板模型侧向喷流与稀薄大气的干扰流场.计算的复杂流场结构和表面流动特征、分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性.在保持来流参数不变的情况下,喷流干扰区的分离长度及喷流透射高度随着喷流压比的增大而增大.随着来流稀薄度的增加,来流对喷流的影响越来越弱,而喷流自身的影响区域却越来越大.     

侧向喷流干扰流场建立与消退过程数值模拟

针对高超声速轨控侧向喷流的非定常干扰效应问题,应用非定常数值模拟方法和多重网格加速收敛技术,研究了锥-柱-裙外形轨控侧向喷流干扰流场的建立和消退过程,获得了详细的喷流瞬时干扰流场结构特性,分析了法向力放大系数、干扰力矩系数、法向力系数及俯仰力矩系数随时间的变化特性。研究结果表明：在侧向喷流干扰流场建立和消退过程中气动力变化较大,存在峰谷值;法向力放大系数及干扰力矩系数的定常值和非定常时均值之间存在明显差异。     

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。     

固体火箭发动机喷流红外辐射实验及计算研究

介绍了缩尺固体火箭发动机不含铝推进剂喷流红外辐射的测量方案、测试设备与测量结果的分析及结论,并对不含铝推进剂喷流的流场和红外辐射场进行了计算。实验分别从与喷流方向成60°、90°、120°夹角位置测量了同一尺寸缩尺火箭发动机使用不含铝粉固体推进剂时、在约90kPa和5kPa两个环境压力下缩尺火箭发动机燃烧室压力以及喷流的红外辐射强度,并对喷流流场进行了显示。本文给出了缩尺火箭发动机实验时,不同环境压力状态下,喷流在2.7μｍ波段(波段一)和4.3μｍ波段(波段二)两个波段的红外辐射强度以及喷流流场图像,同时给出了在对应状态下的流场计算及红外辐射计算的结果。实验的结果验证了计算方法的正确性。     

基于离散元方法的月球着陆器冲击月壤过程分析

月球着陆器在着陆过程中会产生巨大的冲击作用。为了研究月壤材料对着陆器的缓冲作用,文章针对月壤在细观尺度下的离散分布特性,采用离散元方法建立月壤的计算分析模型。在此基础上,简化着陆器模型仅考虑着陆腿的缓冲性能,对着陆过程中着陆器与月壤相互作用的动力冲击过程进行数值分析。通过调整着陆器的质量以及着陆速度,对着陆器着陆过程中的冲击深度、加速度以及冲击力进行了计算分析,研究了月壤对着陆器的缓冲性能。计算结果表明,月壤材料对着陆器有很好的缓冲作用,这为实现安全稳定的软着陆提供了新的研究方向。采用离散元方法分析着陆器在着陆冲击过程中冲击力的变化规律有助于着陆器结构的合理设计和安全性能评估。     

单喷管火箭自由喷流噪声数值模拟

利用非定常燃气流场数值模拟方法，研究超声速喷流核心区及其外围亚声速区燃气流动态分布和流动特性，在此基础上利用欧拉方程条件的伽辽金有限元方法以及FWH方法，实现并完成喷流噪声传播特性、辐射特性数值模拟。喷流噪声数值模拟结果显示：燃气流推进初期，强喷流噪声区域紧随燃气流前锋；燃气流场相对稳定后，强喷流噪声区域主要位于燃气流等能区末稍，一些小尺度试验的燃气流激波系附近也存在较强喷流噪声。这些强喷流噪声主要由燃气流前锋带动的大涡动态卷吸、燃气流强湍流脉动以及激波扰动引起。受数值模拟网格分辨率影响，当前仅能保持中低频段声压级数值模拟结果与实测结果总体接近。     

大攻角侧向喷流流场特性及喷流干扰效应

采用HLLC近似黎曼解格式求解N-S方程,对大攻角条件下超音速尖拱细长旋成体导弹的单侧向喷流干扰流场进行了数值模拟.并对喷流流场压力分布、喷口附近流动及流场旋涡结构进行了研究,分析了大攻角对细长旋成体侧向喷流干扰压力分布及干扰因子的影响.研究结果表明,HLLC格式计算复杂流场具有较好的数值稳定性;侧向喷流与来流的干扰总...     

PWS软件应用于探月着陆器羽流效应 数值模拟研究

文章使用自行开发的PWS计算软件就探月着陆器主发动机羽流对着陆缓冲机构产生的气动力和对流换热热效应问题进行了数值模拟研究。PWS软件是一个基于直接模拟蒙特卡罗方法的羽流计算通用软件,其松散的软件架构保证了各个计算模块的相对独立性,使用“与”、“或”逻辑法则的二级构造法来实现边界条件的通用性。软件的计算值与国外CUBRC实验测量值符合得很好。使用PWS软件对着陆器主发动机羽流进行数值模拟计算表明着陆缓冲机构所受的羽流气动压强最大达到2.4 Pa;缓冲机构底盘侧面的对流换热热流密度最大达到2 000 W/m2;当缓冲机构壁面温度从300 K增加到500 K时,其表面对流换热流密度值有所下降,其最大下降值不到5%。     

塞式喷管侧向喷流仿真研究

随着快速、准确等控制要求的提高,越来越多的飞行器采用了直接侧向力控制技术,这对飞行器本体及喷流装置均提出了更高要求,是先进飞行器气动设计中的关键技术之一。参考美国NCADE方案中的塞式喷管控制发动机结构进行了侧向喷流干扰流场的数值仿真研究,并与常规拉瓦尔喷管进行了对比,分析了两种喷管干扰流场结构及性能的异同,为相关研究提供借鉴。     

大气层内导弹侧向喷流干扰流场的数值模拟

采用3阶的WENO格式计算了大气层内带有侧向喷流的超声速导弹绕流流场。计算显示了喷流和绕流干扰的流动结构。喷流上游的高压区域包络弹体,与喷流下游的低压区域一起削弱了喷流产生的侧向力。在文中计算条件下,喷流放大因子小于1,并形成了较小的俯仰力矩。     

斜喷管燃气射流气动干扰数值模拟

导弹飞行时，由发动机喷出的高温高速燃气射流对周围的空气流场产生强烈的扰动作用，从而影响导弹的空气动力特性，但由于燃气射流的存在，采用实验方法对燃气射流气动干扰进行估计有很大难度。本文采用三维流场数值模拟方法，模拟导弹弹体中部斜喷管燃气射流和空气耦合流场，对斜置喷管燃气射流空气动力干扰进行了研究。结果表明：斜置喷管燃气射流的存在，使导弹气动力的阻力增大，升力降低。     

带倾角合成射流激励器对低速主流矢量控制研究

基于全流场计算模型——X-L,对带倾角合成射流激励器控制宏观低速主流流动进行了数值分率的情况下,可使主流流动方向发生大幅度析和机理研究。结果显示,激励器出口倾角对主流矢量角控制影响很大,在不增加输入功偏转。在激励器存在出口倾角情况下,各状态参数和激励器布置位置对主流矢量影响按规律变化且存在最佳值。压强梯度的存在和旋涡的卷吸作用是合成射流激励器控制宏观低速流流动方向的主要因素。     

合成射流激励器增强同向燃气-氧气掺混数值模拟及机理研究

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道及外部受控流场作为单连域计算处理的全流场计算模型(X L模型)。基于此计算模型,对合成射流激励器增强同向燃气 氧气掺混的流场进行了数值仿真和机理研究。研究表明,应用合成射流激励器可以显著增强同向燃气/氧气的掺混,其主要控制机理是合成射流激励器对同向燃气/氧气流起到流动方向控制作用,使两侧两股氧气平行射流向内发生偏转,从而大大缩短了每股射流的核心区长度;同时,激励器工作改变和加强了射流出口附近的涡结构,通过涡结构的强对流作用极大地增强了燃气/氧气平行射流在出口附近的混合。     

火星大气来流模拟装置CFD仿真与试验

根据我国火星着陆巡视器工作过程,其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反,目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性,需要建立发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。为模拟发动机在火星大气条件下的相对运动,在真空舱内发动机保持固定,前端设置环形来流形成装置,该装置在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流包络。采用数值模拟技术结合试验验证方法,在火星着陆器巡视器主发动机性能考核试验中,针对来流的形成装置开展了设计研究工作。来流模拟试验测试数据表明:在确保贮箱供应压力稳定的条件下,来流模拟系统能够形成100~200 m/s速度的稳定来流,发动机在来流下能稳定启动工作,真空舱压力满足试验要求。     

Igniter jet dynamics in solid fuel ramjets

The dynamics of a two dimensional plane jet injected at the base of a step, parallel to the wall, in backward facing step flow geometry is numerically studied. The objective of this work is to gain insight into the dynamics of the igniter flow field in solid fuel ramjet motors. Solid fuel ramjets operate by ingestion of air and subsequent combustion with a solid fuel grain such as polyethylene. The system of governing equations is solved with a finite volume approach using a structured grid in which the AUSM⁺ scheme is used to calculate the convective fluxes. The Spalart and Allmaras turbulence model is used in these simulations. Experimental data have been used to validate the flow solver and turbulence model simulation results. The comparison of the numerical results and experimental data has validated the use of the adopted turbulence model for the study of this type of problem. A special attention is paid to the igniter jet exit location. It is shown that the wall jet igniter, issuing from the base of the step, drastically changes the structure of recirculating region of backward facing step flow and produces large and damaging shear stress on the fuel surface. Moving the igniter jet exit location to the top of the backward facing step changes the flow field favorably, by reducing the fuel surface shear stress by an order of magnitude and maintaining the recirculating region behind the step, which can provide proper residence time for the fuel–air mixture chemical reactions.