塞式喷管流场数值模拟

采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式,从考虑к－ε湍流模型的理想气体三维薄层近似Ｎ－Ｓ方程出发,对塞式喷管内外流场进行了数值模拟。计算结果与国外文献十分一致。通过流场分析,对塞式喷管流动机理有了清楚的认识。计算表明ＮＮＤ２Ｍ差分格式及相应计算软件适合于模拟复杂喷流流场,可用于塞式喷管发动机的研究。     

塞式喷管流场计算

采用NND差分格式，对塞式喷管轴对称流场进行了数值模拟。通过流场分析，可以对塞式喷管火箭发动机有清楚的认识。计算表明，NND格式有很好的分辨率；无粘和有粘的情况流场结构和性能相差悬珠；塞式喷管的自适应能力很好。     

三维化学非平衡无粘流场的数值模拟

本文用ＮＮＤ格式求解了化学非平衡流场，利用点隐式处理组分连续方程的刚性，采用全流场激波捕捉办法和特征理论，成功地进行了物面边界条件的处理，模拟了高马赫数来流条件下捻激波流场。化学反应采用了五组分五反应模型，建立起来的三维流场计算程序可用于复杂外形化学非平衡无粘流场的数值模拟。     

外流对塞式喷管性能的影响

为了了解外流对塞式喷管性能的影响。本文从N-S方程出发，采用NND格式对塞式喷管有外流的流场进行了数值模拟，重点研究了外流马赫数和外流迎角对塞式喷管的影响，研究表明，在一定飞行高度下，外流会使塞式喷管的性能降低，并且外流为亚声速时对塞式喷管的影响较小，在跨声速和超声速时影响较大；当外流有迎角时，会改变塞式喷管推力矢量，正迎角会使塞式喷管性能得到补偿，负迎角则会降低塞式喷管的性能，随着背压减小，外流对塞式喷管的影响也会减小。     

多单元直排塞式喷管数值模拟和性能分析

为了了解不同圆形喉部方形出口内喷管和不同内喷管倾角及不同塞锥型面对塞式喷管性能的影响，选择更好的塞式喷管设计方案，从曲线坐标下的三维平均雷诺N-S方程出发，用κ-ε两方程湍流模型封闭方程组，采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)，发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序。计算了具有不同转方位置、不同转方后型面和不同出口圆角内喷管的性能。比较了不同设计参数对塞式喷管性能的影响，通过比较得到了较为优化的结论。     

瓦状特征型面塞式喷管三维计算与实验

为了进一步了解瓦状塞式喷管的性能,采用NND差分格式求解三维N S方程和空气冷流对6单元瓦状特征型面塞式喷管进行了数值模拟和实验研究。研究模型的内喷管面积比为4,总面积比为40,设计压强比为1047。计算得到了流场马赫数和塞锥表面压强分布、喷管推力系数效率,以及不同压强比下中心平面、过渡平面和边缘平面的塞锥表面压强变化规律。计算结果与实验数据吻合得较好,效率数值最大相差1%。实验塞式喷管最大的推力系数效率为0 995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,效率在0 93～0 995之间变化。和以前简化型面的4单元瓦状塞式喷管相比,实验和数值模拟均说明塞锥特征型面的优化设计提高了喷管性能,更充分体现了塞式喷管的高度补偿特性,可以成为未来工程应用的选择方案。     

绕HERMES外形高超声速无粘流动的数值模拟

本文采用时间相关法和隐式推进迭代方法求解了绕ＨＥＲＭＥＳ外形高超声速无粘流动。将抛物型方程和代数方程相结合生成计算网格，既节省了网格生成的时间，又能得到较合理的网格分布。在时间相关法计算中，采用了显式ＮＮＤ格式；在隐式推进迭代计算中，采用了推广的隐式ＮＮＤ格式。     

超声速/高超声速双拐点喷管设计

为实现直连式试验台、高温风洞等试验设备的多马赫数运行,提出了双拐点喷管设计方法.喷管分2段设计,第1段共用,采用3次B-Spline函数描述喷管轴线马赫数分布.首先采用特征线方法求解Euler方程,得到无黏的理想喷管型面.其次采用参考温度方法求解边界层位移厚度,对无黏壁面进行修正得到实际壁面.共用段喷管出口的平行均匀流作为第2段喷管设计的初值.为验证设计方法的可行性,设计了中间马赫数为3.0,出口马赫数分别为4.0,4.5和5.0的双拐点喷管,并采用雷诺平均的Navier-Stokes方程对设计的喷管流场进行数值模拟.计算结果表明:喷管出口流场均匀,试验菱形区的马赫数误差小于1.2%.该方法提高了喷管设计精度,保证消波干净,为直连式试验台、高温风洞等设备的多个喷管共用一套动力系统提供了基础.      

环喉型圆锥塞式喷管的水下流动分离特性

将塞式喷管概念扩展到水下固体火箭发动机应用领域,为了研究高背压环境下塞式喷管的水下流动分离特性,建立水下塞式喷管流动分析模型,并采用流体体积法(VOF)两相流模型对设计马赫数2.0的环喉型圆锥塞式喷管水下工作时的过膨胀流场进行了气/水耦合数值模拟,计算考虑了气体的压缩性和粘性。计算结果显示:圆锥塞式喷管在水下的过膨胀流动也存在间歇性的颈缩、胀鼓以及回击等不稳定现象;与空气环境下的工作条件不同,气/水界面表现出类似于壁面的约束作用,塞锥外流场形成的波系结构由塞锥壁面和内喷管出口下游气/水界面共同决定;水下超声速气体射流的不稳定振荡引起喷管出口背压和气/水界面的脉动,塞锥表面的分离流场随射流的振荡而变化,根据流场激波结构以及塞锥表面分离特征的不同,可以区分为5种不同的分离流动形态;塞式喷管在水下和空气环境下的分离流动振荡的驱动机理不同,水下分离流场的振荡主要受气/液两相相互作用诱导的射流振荡过程的影响,分离流场附近壁面压强振荡频率覆盖0~1000Hz范围内的较宽频带,且没有显著的特征频率。     

矩形内喷管塞式喷管的数值计算与实验研究

为了了解内喷管为二维矩型的塞式喷管性能,设计了一个二单元的实验塞式喷管,并对模型进行了数值模拟和实验研究。数值模拟采用无波动、无自由函数耗散(NND)差分格式求解三维NS方程,利用空气冷流实验方法评价了喷管性能。研究模型的内喷管喉部面积为4×60mm2,内喷管面积比为4,总面积比为24.05,设计压力比为500。计算得到了正确的流场结构和塞锥表面压强分布,结果与实验数据吻合很好,效率数值最大相差1%。模型的性能也比较理想:最大的推力系数效率为0.995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,推力系数效率在0.97～0.995之间变化。不同压强比下全锥塞式喷管的塞锥表面压强分布规律,可以作为研究截短型塞式喷管塞锥压强分布的基础。      

塞式喷管冷流实验和数值模拟研究

开展了塞式喷管冷流实验和数值模拟研究。实验模型采用直排的点膨胀构型，实验测量了两种塞体长度的塞式喷管在不同压比条件下的表面压强分布，拍摄了典型工况下流场的纹影照片。数值模拟采用二阶NND格式求解二维N-S方程，计算得到的壁面压强分布与实验结果吻合较好。通过实验和数值模拟验证了塞式喷管高度补偿特性，得到的结论为塞式喷管设计和性能预报提供了依据。     

喷管内缝隙流场与热环境数值模拟研究

用有限元素法数值模拟了固体火箭发动机喷管内缝隙的流场和热环境。采用非结构的高分辨率的有限元离散格式,计算了不同攻角和不同Ｍａ数的缝隙内压力分布和气动加热,分析了缝隙内流场和热环境特性,数值结果与风洞实验结果符合很好。     

A low-diffusion robust flux splitting scheme towards wide-ranging Mach number flows

This paper develops a low-diffusion robust flux splitting scheme termed TVAP to achieve the simulation of wide-ranging Mach number flows. Based on Toro-Vázquez splitting approach, the new scheme splits inviscid flux into convective system and pressure system. This method introduces Mach number splitting function and numerical sound speed to evaluate advection system. Meanwhile, pressure diffusion term, pressure momentum flux, interface pressure and interface velocity are constructed to measure pressure system. Then, typical test problems are utilized to systematically assess the robustness and accuracy of the resulting scheme. Matrix stability analysis and a series of numerical cases, such as double shear-layer problem and hypersonic viscous flow over blunt cone, demonstrate that TVAP scheme achieves excellent low diffusion, shock stability, contact discontinuity and low-speed resolution, and is potentially a good candidate for wide-ranging Mach number flows.     

Mach reflection in steady supersonic flow considering wedge boundary-layer correction

Mach reflection in steady supersonic flow is an important phenomenon having received extensive studies, among which simplified theoretical models to predict the size of Mach stem and other flow structure are of particular interest. Past efforts for such models were based on inviscid assumption while in real cases the flow is viscous. Here in this paper we consider the influence of wedge boundary layer on the Mach stem height. This is done by including a simplified boundary layer model into a recently published inviscid model. In this viscous model, the wedge angle and the trailing edge height, which control the Mach stem height, are replaced by their equivalent ones accounting for the displacement effect of the wedge boundary layer, with the boundary layer assumed to be laminar or fully turbulent. This viscous model is shown to compare well with numerical results by computational fluid dynamics and gives a Mach stem height as function of the Reynolds number and Mach number. It is shown that due to the viscous effect, the Mach stem height is increased, through increasing the effective wedge angle.     

单元塞式喷管结构对性能影响的数值研究

从N－S方程出发，采用二阶精度的NND格式对塞式喷管的流场进行了数值模拟，重点研究了单元喷管的倾角的塞锥的截断长度在偏离设计高度时对性能的影响。结果表明，不管是在低于还是高于设计高度，随着倾角的增加，内喷管对推力的贡献在减小，塞锥和底部对推力的贡献却增大，而侧喷管的最佳倾角却基本相同，都在全长型塞式喷管设计角度附近。截断后的塞式喷管虽然减小了重量，但不管是在低空还是高空，性能均低于全长型塞式喷管，因此增加底部的推力是提高性能的一个重要途径。     

分开排气系统的1种设计方法及其性能研究

针对大涵道比涡扇发动机,开展了其排气系统气动型面参数化设计方法和气动性能的研究。通过控制外涵、内涵喷管流道的中心线形状和流通面积,设计了外涵、内涵分开排气喷管气动型面。采用数值模拟的方法模拟了喷管的流场结构,并分析了外涵落压比和自由流马赫数对喷管推力系数的影响。在自由流马赫数为0.050时,推力系数随外涵落压比的增大而增大,在自由流马赫数为0.785时,推力系数随外涵落压比的增大而减小;在外涵落压比相同时,自由流马赫数越大,核心机舱外罩b段与尾锥b段所受轴向力在喷管总推力中所占比例越大,对喷管推力系数的影响也增大。     

线性塞式喷管外流干扰数值计算与冷流试验

采用有限体积法对由塞锥截短率为25%的线性塞式喷管和升力体构成的塞式喷管运载器风洞冷流试验模型进行仿真计算,并结合试验测量结果,研究了不同高度(压比)下外流对线性塞式喷管流场结构和性能的影响.结果表明,外流干扰导致线性塞式喷管内流过膨胀和横向侧流强度增加,并影响塞锥底部气流的受限流动;低空工况下外流的存在造成塞锥壁面和底部压强降低以及运载器底部阻力增加,喷管性能损失较大;高空工况下塞锥壁面和底部的压强已经不再受外流的影响,喷管性能损失较小,主要由运载器底部阻力损失造成.      

固体火箭喷管两相粘性跨音速流场计算

本文进行了固体火箭喷管两相粘性湍流跨音速流场计算.粘性的气相控制方程用隐式近似因子分解法求解,粒子方程采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解,粘性湍流选用代数模型,气相和凝相充分地偶合.CFL数可以取500左右,收敛速度快,使粘性两相跨音速喷管流场计算耗费的机时达到工程计算可以接受的程度.通过计算,获得了在粘性和粒子同时作用下的流场参数分布.这对固体火箭发动机流场需要同时考虑粒子和粘性作用的专题研究大有裨益.     

空-空导弹用二元混压超声速进气道数值研究

对空空导弹固体火箭冲压发动机二元混压超声速进气道进行了数值研究。应用ＮＮＤ格式耦合对流迎风矢通量分裂技术（ＡＵＳＭ）,按照ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ时间分裂方法对贴体坐标系下二维雷诺平均Ｎ－Ｓ方程进行有限差分离散。数值模拟了此进气道多种工况下的流动状态。结果表明,对于捕获激波和模拟附面层内流动均有很好的效果。在此基础上分析了来流马赫数、进气道工作高度及出口反压对进气道性能参数的影响。