化学非平衡喷管流计算方法的研究

本文提供了考虑化学反应非平衡和振动非平衡的喷管流动计算方法。在忽略扩散、粘性和热传导及辐射损失的假设下，得到完全气体一维定常流动方程，再加上振动能松驰方程和化学反应速率方程即可数值积分求解。采用扰动法得到接近平衡流的一组积分初值。采用“逆积分方法”求解通过喉道。计算结果是令人满意的。     

高超声速喷管非平衡黏性流动的数值研究

分别采用平衡气体模型、化学非平衡气体模型和热化学非平衡气体模型,通过求解轴对称Navier-Stokes方程组,数值模拟了法国Marseille高焓激波风洞锥型喷管(H₀=10.3MJ/kg),分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、振动温度、马赫数和组分质量数在轴对称线上的分布与喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果。计算结果表明:化学反应速度加快,会导致喷管出口温度增加,振动能的冻结会导致喷管出口温度降低。     

激波加热超声速燃烧室直连式试验台喷管中的化学非平衡流动

为了开展飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机直连式试验研究,将中国空气动力研究与发展中心的FD-14激波风洞改造成了激波加热超声速燃烧室直连式试验台。设计了两组喷管,喷管出口马赫数为3.5和4.5,分别用于模拟飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机燃烧室入口气流条件。采用Park、Gupta、Dunn/Kang三种纯空气化学反应动力学模型,对马赫数3.5及马赫数4.5喷管中的化学非平衡流动进行了数值模拟研究,并对三种纯空气化学反应模型进行了比较分析。研究结果表明:在喷管收缩段,N_2和O_2的离解效应显著,而在喷管扩张段,N原子和O原子的复合效应更加显著;马赫数3.5及马赫数4.5喷管出口的NO摩尔分数分别为2.3%～2.57%和4.8%～6.0%,O原子摩尔分数分别为0.04%～0.11%和0.75%～1.25%,N原子摩尔分数几乎为零;在喷管扩张段,流动为典型的"冻结流";三种化学反应模型中,采用Gupta模型时O_2和N_2的离解程度最大,相应生成的NO及O原子含量更高,但是三个反应模型计算获得的各个组分在喷管内部及喷管出口截面的分布规律是一致的。     

不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场影响的数值分析

采用轴对称NS方程,数值研究不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场的影响,包括:(1)不同组元数的高温空气模型(5组元、7组元1、1组元)的比较;(2)热力非平衡(双温度)的化学动力过程与热力平衡(单温度)的化学动力过程的比较。计算结果表明,高焓风洞实验条件下喷管流场处于热力和化学都是非平衡的状态。在计算条件下,数值模拟以采用7组元或11组元的热化学非平衡模型为宜。     

高温非平衡氮组分多温度振动-离解耦合模型

基于多温度模型的基本思想,从惟象角度分析了非平衡状态下双原子分子振动态分布的特征信息。研究了双原子分子在非平衡弛豫过程中振动—离解耦合特点,认为较低和较高振动态首先达到相对独立的准平衡状态,较高振动态的局域离解造成的相对数密度分布密度差将导致各个振动态数密度从新分布;而这一过程也是系统通过V-V传能、T-V传能不断把位于较低振动态的分子通过中间振动态激发到较高振动态,为离解做能量积累的过程。通过对目前较常用的Hammerling假设的修正,用中间振动态数密度分布情况重新定义了双原子分子非平衡态下的振动温度,建立了新的关联振动-平动温度的双原子分子振动态非平衡近似分布模型。通过模拟氮分子非平衡激波加热过程结果表明,本模型较好地预报了氮分子非平衡振动松弛过程中"诱导期"以及平均振动能、振动温度的时间特性。     

高焓激波风洞喷管流场非平衡特性研究

高焓激波风洞是开展高超声速流动研究的重要地面模拟设备,但其产生的高焓气流在喷管中的膨胀过程是一种典型的热化学非平衡流动,试验段特征参数通过直接实验测量难以完全确定。本文通过求解耦合双温度模型的轴对称Navier-Stokes方程,研究了高焓激波风洞中典型状态下气流的热化学非平衡流动特性,分析了焓值对非平衡特性的影响规律。结果表明,喷管出口自由流均匀区域达到出口截面直径的75%以上,能够为实验提供足够的空间;喷管出口自由流处于热化学非平衡状态,在喷管喉道后约1/5喷管长度处气流即已处于冻结流状态,组分浓度和振动温度随气流流动基本不变;焓值在8.4MJ/kg~19.5MJ/kg之间变化时,非平衡程度随着焓值的增加而增强,但是低焓值时非平衡程度的增强更加剧烈。     

喷管一维流场化学非平衡通用计算软件研制

研制的火箭发动机一维喷管非平衡流通用计算软件，建立在一个统一的化学反应库之上。该通用计算软件可对推进剂元素为碳、氢、氧、氮、氟、氯的火箭发动机喷管进行一维化学非平衡流数值模拟。通过计算推进剂元素为氢、氧和碳、氢、氧、氮的喷管一维化学非平衡流，得到了喷管流场的速度、温度、密度、压力及各组分的质量百分比等参数，为工程设计提供了依据。     

态-态模型下的O2/O系统热化学非平衡与辐射过程

采用态-态模型,研究包含振动能级跃迁、化学反应和辐射跃迁的O_2/O系统的非平衡过渡过程。对静止的O_2/O气体系统,设定不同的初始条件,突然降温或升温至3000K、10 000K、20 000K后保持等温等容,数值模拟组元质量分数、振动能级分布和辐射特性随时间的演化过程,分析不同条件下各类过程趋近平衡的松弛时间、稳态平衡结果等特征,以及辐射和热化学非平衡过程的相互影响特点。结果表明,态-态模型得到的振动温度趋近平衡值的特点与双温度模型所描述的不同,有时振动温度随时间甚至出现非单调变化的现象,非平衡过渡过程中的振动能级分布也不满足振动温度下的玻尔兹曼分布。本文算例显示出O_2/O系统在高温条件下的非平衡辐射特征,不过辐射跃迁对热化学非平衡过程的影响不明显,非平衡辐射的特征时间达到振动松弛时间的10倍以上。     

微波等离子推力器喷管流动数值模拟

为了准确把握微波等离子推力器喷管流动的机理与特点,采用冻结流和非平衡流两种模型对其进行了对比数值模拟分析。非平衡流模型考虑了流动过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分、4反应的有限速率化学反应模型,采用二阶精度NND格式数值求解耦合化学反应源项的N S方程组。数值模拟的结果揭示了喷管内的流场结构,反映了喷管内的离解电离状况,得到了推力器的推力和比冲。分析表明,数值方法有效,计算结果合理,具有工程应用价值,能为相关研究提供参考。     

跨音速喷管化学反应流数值模拟

用时间相关的半隐格式有限差分数值方法求解了化学非平衡反应跨音速喷管流场，在喷管收敛段，流动接近化学平衡状态，控制方程的刚性问题严重，数值积分困难。通过对时间差分项隐式离散、对空间差分项显式离散，流场边界采用参考平面上的特征线法计算等，成功地解决了由于化学反应有限速率带来的数值解不稳定问题。该格式简单、需要计算机存贮空间少。本文完成了一维和轴对称非平衡化学反应喷管流动计算，并与化学平衡流和冻结流的计算结果做了比较。     

一维喷管化学反应流的吉尔方法研究

建立了一维喷管化学反应流计算模型,并进行了数值求解,给出了喷管内一维化学反应流计算结果。采用吉尔方法解决控制方程组的刚性问题获得满意效果。计算中解决了化学反应流计算中初值难于给定和喉部条件难于确定等问题。并通过对氢氧发动机喷管的分析计算,证明了这种方法的正确性。     

C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。     

塞式喷管化学反应非平衡流动的数值模拟

对塞锥流场采用七组元八反应模型,对内喷管流场采用六组元八反应模型,数值模拟了氢氧塞式喷管的流动参数、组分质量分数和热力学参数的分布,并把化学反应非平衡流动和冻结流动的流场进行了比较。在边界层和底部回流区内,燃气流速低、温度高,组分O2,H2,O,H,OH的含量比主流内高,而H2O的含量比主流内低。绝热指数随温度的降低而增大,气体常数随温度的降低而减小。外界空气对塞锥流场的影响只限于流动剪切层,对塞锥主流的影响不大。     

喷管化学反应粘性流场的数值模拟

用时间相关法的显格式求解氢氧发动机喷管的粘性化学反应流动,采用６种组分,８个基元反应有限速率的化学反应模型,湍流模型采用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,得到流动参数和产物的质量分数在喷管流场中的分布。计算结果表明,采用显格式方法求解喷管化学反应粘性流动是可行的。     

喷管性能的化学动力学分析

应用化学平衡流动和化学反应动力学的方法对某液体发动机喷管进行计算，得到了不同面积比下的燃气参数和发动机性能参数分布。小型液体火箭发动机的化学动力学损失比较大，性能接近冻结流动的结果。化学动力学损失主要产生在喷管初始膨胀部分，随着面积比的增加，化学动力学损失增大。     

高超声速喷管三维热化学非平衡流场的数值模拟

利用数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法和多块网格技术,数值模拟了典型高焓激波风洞锥型喷管的三维非平衡流场,分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、组分N2和O2振动温度、马赫数和组分质量分数在轴对称线上的分布,也给出了喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果,获得了喷管流场的详细信息,并与已经存在的采用轴对称Navier-Stokes方程计算的结果,进行了比较,二者吻合得很好.计算结果表明:目前的代码是可以模拟多块结构网格下的热化学非平衡流动的.     

热化学非平衡喷管流场的数值研究

从非定常的基本方程出发,采用时间相关法,利用时间预处理的ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式对空气为实验气体的７组元热化学非平衡一维喷管流场进行了数值计算,并分析了热化学非平衡对流场的影响。结果表明,对于一些实际应用的喷管条件,热化学非平衡具有较为显著的影响。     

喷管化学反应流的对角化点隐式法求解

采用弱耦合对角化点隐式方法的ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式,求解喷管的粘性化学反应流动,解决了控制方程组的刚性问题,又大大减少了常规点隐式方法中求逆矩阵的大量工作。对液氢液氧火箭发动机,采用６种组分、８个反应有限速率的化学反应模型和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,得到流场参数在喷管中的分布。计算结果表明,采用对角化点隐式方法求解化学反应喷管粘性流动能提高计算效率。     

发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷试验

为了获得大面积比喷管在发动机起动/关机过程中的侧向载荷，搭建了喷管侧向载荷冷流试验系统，通过测量应变管感知的喷管侧向载荷和通过加速度传感器感知的喷管振动载荷，分析发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷的变化规律。试验表明:试验喷管在发动机起动/关机过程中均存在3个峰值侧向载荷，起动过程中分别对应着初始正激波向稳定自由激波分离的转变过程、自由激波分离向受限激波分离的转变过程以及分离激波结构处于“末端振动状态”，关机过程则恰好相反，而且关机过程相对起动过程的峰值侧向载荷发生压比存在一定的迟滞效应；喷管壁面的周向应变对侧向载荷非常敏感，而壁面轴向应变却基本不受喷管侧向载荷的影响；喷管侧向载荷是激励喷管振动的主导因素，并在试验喷管发生“末端振动效应”时，振动加速度峰值达到最大为80g。      

非对称喷管化学非平衡粘性湍流流动数值研究

采用RNG k−ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,针对设计的超声速燃烧冲压发动机单斜面膨胀喷管,采用氢氧七组元八反应模型,数值模拟不同高度、不同来流马赫数条件下的喷管流场和性能。计算结果表明,喷管内的进一步燃烧对燃烧室起到了一定的补燃作用,对喷管性能影响较大。化学非平衡状态下,喷管推力特性和升力特性显著提高。超燃冲压发动机尾喷管的性能研究,应考虑化学非平衡流动的影响。